JP6175577B2 - Gas sensor element - Google Patents
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Description
関連出願の相互参照
本願は、それぞれ2014年5月28日および2015年1月26日に出願され、それらの全体が参照によって本明細書に組み込まれる米国仮特許出願62/003,753および62/107,961の優先権を主張する。
CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is filed on May 28, 2014 and January 26, 2015, respectively, and is hereby incorporated by reference in its entirety. US Provisional Patent Applications 62 / 003,753 and 62 / Claims 107,961 priority.
いくつかの実施形態は医療装置に関し、呼気コンポーネントの定性的または定量的分析のための酸化物組成物にもまた関する。 Some embodiments relate to medical devices and also to oxide compositions for qualitative or quantitative analysis of exhaled components.
科学者らは、哺乳動物呼気中のある種のガスの存在と結びついた身体的状態とある種の病との間のつながりを発見した。その目的のために、ガス検知装置が報告されている。しかしながら、いくつかのアセトン検知装置は周囲よりも高い、いくつかのケースにおいては300℃を超過した作動温度を要求する。加熱は半導体材料にエネルギーを提供し、バンドギャップにまたがる電子の移動を増大させ得る。しかしながら、かかる高い作動温度はポータブル装置を作り出す上での困難さに寄与し得る。 Scientists have discovered a link between a physical condition associated with the presence of certain gases in the exhaled mammal and certain diseases. For that purpose, gas detection devices have been reported. However, some acetone detectors require operating temperatures above ambient, in some cases exceeding 300 ° C. Heating provides energy to the semiconductor material and can increase the movement of electrons across the band gap. However, such high operating temperatures can contribute to difficulties in creating portable devices.
それゆえに、糖尿病を包含する種々の身体的状態を有する通院患者の診断およびセルフモニタリングに用いられ得るポータブル装置への使用のためには、室温で作動するアセトンセンサの要望がある。 Therefore, there is a need for an acetone sensor that operates at room temperature for use in portable devices that can be used for diagnosis and self-monitoring of outpatients with various physical conditions including diabetes.
本願は、ガス試料、例えば呼気中のアセトンの存在を検出するアセトンセンサ素子に関する。いくつかの実施形態は、周囲温度において働くアセトンセンサ素子またはエタノールセンサ素子などのガスセンサ素子に関する。 The present application relates to an acetone sensor element that detects the presence of acetone in a gas sample, eg, exhaled breath. Some embodiments relate to gas sensor elements such as acetone sensor elements or ethanol sensor elements that operate at ambient temperature.
いくつかの実施形態は、約1から約10milのギャップによって離間される第1の電極および第2の電極と、前記第1の電極および前記第2の電極の両方と物理的に接触する多結晶性n型半導体材料とを含むガスセンサ素子を包含する。 Some embodiments include a first electrode and a second electrode that are separated by a gap of about 1 to about 10 mils, and a polycrystal that is in physical contact with both the first electrode and the second electrode. And a gas sensor element including a conductive n-type semiconductor material.
いくつかの実施形態は、対象の呼気中のアセトンを特定するための方法を包含し、請求項1のガスセンサ素子を含むガスセンサに哺乳動物の呼気試料を暴露することを含み、アセトンの存在がセンサの抵抗率の変化によって検出される。
Some embodiments include a method for identifying acetone in a subject's breath, comprising exposing a mammalian breath sample to a gas sensor comprising the gas sensor element of
いくつかの実施形態は、
P1−xB (式1)
を含むセンサ素子を有する半導体複合物を包含し、
Pはn型半導体材料であり、Bはホウ素であり、xは≦0.10である。いくつかの実施形態において、xは>0.0001である。いくつかの実施形態において、n型半導体材料は酸化タングステン(WO3)であり得る。いくつかの実施形態において、WO3はイプシロン相WO3(ε−WO3)である。いくつかの実施形態において、センサ素子はさらに共触媒を含み得る。いくつかの実施形態において、共触媒は貴金属であり得る。いくつかの実施形態において、貴金属はパラジウム、金、または白金である。いくつかの実施形態において、共触媒は遷移金属酸化物であり得る。いくつかの実施形態において、遷移金属酸化物はCo、Mn、Ni、またはCuの酸化物であり得る。
Some embodiments
P 1-x B (Formula 1)
Including a semiconductor composite having a sensor element comprising:
P is an n-type semiconductor material, B is boron, and x is ≦ 0.10. In some embodiments, x is> 0.0001. In some embodiments, the n-type semiconductor material can be tungsten oxide (WO 3 ). In some embodiments, WO 3 is epsilon phase WO 3 (ε-WO 3 ). In some embodiments, the sensor element can further include a cocatalyst. In some embodiments, the cocatalyst can be a noble metal. In some embodiments, the noble metal is palladium, gold, or platinum. In some embodiments, the cocatalyst can be a transition metal oxide. In some embodiments, the transition metal oxide can be an oxide of Co, Mn, Ni, or Cu.
いくつかの実施形態においては、ガスセンサ素子が提供される。センサ素子はWO3とCeO2との物理的混合物を含み得る。いくつかの実施形態において、物理的混合物は1:1モル比を有する。いくつかの実施形態において、WO3はガンマ相WO3である。いくつかの実施形態において、WO3はイプシロン相である。いくつかの実施形態において、センサ素子はさらに共触媒を含み得る。いくつかの実施形態において、共触媒は金属酸化物から選択され得る。いくつかの実施形態において、金属酸化物はCeO2またはTiO2である。 In some embodiments, a gas sensor element is provided. The sensor element can comprise a physical mixture of WO 3 and CeO 2 . In some embodiments, the physical mixture has a 1: 1 molar ratio. In some embodiments, WO 3 is gamma phase WO 3 . In some embodiments, WO 3 is an epsilon phase. In some embodiments, the sensor element can further include a cocatalyst. In some embodiments, the cocatalyst can be selected from metal oxides. In some embodiments, the metal oxide is CeO 2 or TiO 2 .
いくつかの実施形態においては、センサ組成物を作るための方法が記載され、当該方法は、n型半導体前駆体水溶液を作り出すことと、予熱された機器中において溶液を加熱し、予熱された機器は水溶液の燃焼温度の実質的に近くまで予熱されていることと、前駆体溶液を燃焼反応させることと、燃焼反応生成物を焼鈍することとを含む。いくつかの実施形態において、機器は少なくとも約420℃まで予熱され得る。 In some embodiments, a method for making a sensor composition is described that includes creating an aqueous n-type semiconductor precursor solution, heating the solution in a preheated device, and the preheated device. Includes preheating to substantially close to the combustion temperature of the aqueous solution, subjecting the precursor solution to a combustion reaction, and annealing the combustion reaction product. In some embodiments, the equipment can be preheated to at least about 420 degrees Celsius.
いくつかの実施形態においては、方法が記載され、当該方法は、ホウ素ドーピングしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体を燃焼合成することと、互いにかみ合わされた、第1および第2の離隔された電極を有するセンサ素子を提供することと、燃焼合成されたホウ素ドーピングしたイプシロンまたはガンマ相半導体を第1および第2の離間された電極の間に配置することとを含む。いくつかの実施形態において、当該方法は、さらに、合成されたホウ素ドーピングしたイプシロンまたはガンマ相半導体の比表面積(SSA)を10m2/g超まで増大させること、ホウ素ドーピングしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体を約5から約48時間の間ボールミル処理することを含む。いくつかの実施形態において、ホウ素ドーピングしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体のSSAを増大させることは、ホウ素ドーピングしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体を約5から約25時間の間ボールミル処理することを含む。いくつかの実施形態において、SSAを増大させることは、第1および第2の電極の間への配置の前に、ホウ素ドーピングしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体を超音波分解することを含む。いくつかの実施形態において、当該方法は、さらに、ホウ素ドーピングしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体に金属酸化物を加えることを含み得る。 In some embodiments, a method is described, the method comprising combustion synthesizing boron-doped epsilon or gamma phase WO 3 semiconductor and first and second spaced apart electrodes interdigitated. And providing a combustion synthesized boron-doped epsilon or gamma phase semiconductor between the first and second spaced apart electrodes. In some embodiments, the method further includes increasing the specific surface area (SSA) of the synthesized boron doped epsilon or gamma phase semiconductor to greater than 10 m 2 / g, boron doped epsilon or gamma phase WO 3. Ball milling the semiconductor for about 5 to about 48 hours. In some embodiments, increasing the boron doped epsilon or gamma phase WO 3 semiconductor SSA involves ball milling between boron doped epsilon or gamma phase WO 3 semiconductor from about 5 to about 25 hours . In some embodiments, increasing the SSA includes sonicating a boron-doped epsilon or gamma phase WO 3 semiconductor prior to placement between the first and second electrodes. In some embodiments, the method can further include adding a metal oxide to the boron-doped epsilon or gamma phase WO 3 semiconductor.
これらおよび他の実施形態が以下により詳細に記載される。 These and other embodiments are described in more detail below.
用語「多結晶性材料」は、粒間結合によって直接的に一緒に結合された材料の複数の結晶粒(すなわち結晶)を含むいずれかの材料を包含する。材料の個別の結晶粒の結晶構造は多結晶性材料中において空間的にランダムに配向していてよい。 The term “polycrystalline material” encompasses any material that includes a plurality of grains (ie, crystals) of materials joined together directly by intergranular bonding. The crystal structure of the individual crystal grains of the material may be spatially randomly oriented in the polycrystalline material.
本明細書において用いられる用語「粒間結合」は、材料の隣接結晶粒中の原子の間のいずれかの直接的な原子結合(例えば、共有性、金属性など)を包含する。 The term “intergranular bond” as used herein encompasses any direct atomic bond (eg, covalent, metallic, etc.) between atoms in adjacent grains of the material.
本明細書において用いられる用語「イプシロン相」は、当業者に公知の通常の意味を有する。 The term “epsilon phase” as used herein has its usual meaning known to those skilled in the art.
本明細書において用いられる用語「ガンマ相」は、当業者に公知の通常の意味を有する。 The term “gamma phase” as used herein has the usual meaning known to those skilled in the art.
本明細書において用いられる用語「ドープされる」は、例えば結晶格子の定められた位置において置換されてまたはそうではなく結晶中において格子間に包含されて、化合物の結晶格子中に組み込まれる元素を包含する。 As used herein, the term “doped” refers to an element that is incorporated into the crystal lattice of a compound, eg, substituted at a defined position in the crystal lattice or otherwise included in the crystal between the lattice. Include.
用語「担持される」は、第1の材料、例えばn型半導体材料と第2の材料との非価電子的な組み合わせ、例えば物理的混合物および/または隣接配置を包含し、例えば、Pt、Ag、Pd、Auなどの貴金属が表面にある。 The term “supported” encompasses a non-valent combination of a first material, eg, an n-type semiconductor material and a second material, eg, a physical mixture and / or adjacent arrangement, eg, Pt, Ag , Pd, Au and other precious metals are on the surface.
用語「n型半導体」は、当業者に公知の通常の意味を有する。 The term “n-type semiconductor” has its ordinary meaning known to those skilled in the art.
用語「室温」は、当業者に公知の通常の意味を有する。 The term “room temperature” has the usual meaning known to the person skilled in the art.
いくつかの実施形態は、式1
P1−xB (式1)
によって表される化合物を包含し、式1に関して、Pはn型半導体材料であり得、Bはホウ素であり得、xは≦0.10である。いくつかの実施形態において、xは0.0001、0.01、0.05、0.10wt%の割合の下限から約0.4、0.5%、0.75、1.0wt%の上限、および/または記載されている限度のいずれかの組み合わせの間であり得る。いくつかの実施形態において、xは0.225g(B)/100g(半導体)であり得る。
Some embodiments have the
P 1-x B (Formula 1)
And with respect to
酸化タングステンはガスセンサに用いられる1つの材料である。酸化タングステン(WO3)結晶はWO6八面体の角および稜共有によって形成され得る。種々の相、例えば単斜晶II(イプシロン[ε]相)、三斜晶(デルタ[δ]相)、単斜晶I(ガンマ[γ]相)、直方晶(ベータ[β]相)、正方晶(アルファ[α]相)、および立方晶WO3が角共有によって得られる。単斜晶II相は零下温度においてのみ安定であり得、単斜晶Iは室温において最も安定な相であり得る。ε相酸化タングステンはガスセンサにとって有用であり得る。 Tungsten oxide is one material used for gas sensors. Tungsten oxide (WO 3 ) crystals can be formed by the corner and ridge sharing of the WO 6 octahedron. Various phases such as monoclinic II (epsilon [ε] phase), triclinic (delta [δ] phase), monoclinic I (gamma [γ] phase), tetragonal (beta [β] phase), Tetragonal (alpha [α] phase) and cubic WO 3 are obtained by angle sharing. Monoclinic phase II can only be stable at sub-zero temperatures, and monoclinic phase I can be the most stable phase at room temperature. ε-phase tungsten oxide may be useful for gas sensors.
いくつかの実施形態において、n型半導体材料は多結晶性であり得る。いくつかの実施形態において、n型半導体材料はWO3であり得る。いくつかの実施形態において、n型半導体は少なくとも600nm、少なくとも550nm、少なくとも500nm、少なくとも475nm、および/または少なくとも450nmの吸収端を有する。いくつかの実施形態において、n型半導体材料は八面体格子を有し得る。いくつかの実施形態において、n型半導体材料は単斜相材料であり得る。いくつかの実施形態において、n型半導体材料は単斜晶I相材料であり得る。いくつかの実施形態において、n型半導体材料は単斜晶II相材料であり得る。いくつかの実施形態において、n型半導体材料は自発双極子モーメントを有し得る。いくつかの実施形態において、WO3はイプシロン相WO3(ε−WO3)であり得る。いくつかの実施形態において、WO3はガンマ相WO3(γ−WO3)であり得る。いくつかの実施形態において、n型半導体はイプシロン相酸化タングステン、ガンマ相酸化タングステン、および/またはその混合物であり得る。所与の標準および生成試料のX線回折パターンの比較は、試料が特定の相を含むかどうかを特定するために用いられ得るいくつもの方法の1つである。例示的な標準は、国立標準技術研究所(NIST)(ゲイザースバーグ、MD、USA)および/または国際回折データセンター(ICDD、かつては粉末回折標準に関する合同委員会[JCPDS])(ニュータウン・スクエア、PA、USA)によって提供されるXRDスペクトルを包含する。 In some embodiments, the n-type semiconductor material can be polycrystalline. In some embodiments, n-type semiconductor material can be a WO 3. In some embodiments, the n-type semiconductor has an absorption edge of at least 600 nm, at least 550 nm, at least 500 nm, at least 475 nm, and / or at least 450 nm. In some embodiments, the n-type semiconductor material can have an octahedral lattice. In some embodiments, the n-type semiconductor material can be a monoclinic phase material. In some embodiments, the n-type semiconductor material can be a monoclinic I-phase material. In some embodiments, the n-type semiconductor material can be a monoclinic phase II material. In some embodiments, the n-type semiconductor material can have a spontaneous dipole moment. In some embodiments, WO 3 can be epsilon phase WO 3 (ε-WO 3 ). In some embodiments, WO 3 may be gamma phase WO 3 (γ-WO 3 ). In some embodiments, the n-type semiconductor can be epsilon phase tungsten oxide, gamma phase tungsten oxide, and / or mixtures thereof. Comparison of the X-ray diffraction patterns of a given standard and product sample is one of several methods that can be used to determine whether a sample contains a particular phase. Exemplary standards include the National Institute of Standards and Technology (NIST) (Gaithersburg, MD, USA) and / or the International Diffraction Data Center (ICDD, formerly the Joint Committee on Powder Diffraction Standards [JCPDS]) (Newtown (Square, PA, USA).
いくつかの実施形態において、半導体は少なくともε−WO3と少なくとも第2のn型半導体材料とを含み得る。いくつかの実施形態において、ε−WO3はn型半導体材料の少なくとも55%、少なくとも60%、少なくとも65%、少なくとも70%、90%、95%、または99%を含む。いくつかの実施形態において、ε−WO3の%は重量%である。いくつかの実施形態において、ε−WO3の%はモル%である。いくつかの実施形態において、ε相WO3対γ相の比は約49.34の2シータにおけるε相WO3のXRDピーク対約26.44の2シータにおけるγ相WO3のXRDピークとして表され得る。理論によって拘束されようとするものではないが、e−WO3の自発双極子は材料の格子と関連し得、そのため、格子の変化は双極子の強さを変化させ得る(換言すると自発分極の変化)と考えられる。自発双極子モーメントの変化は材料の表面電荷の変化をもたらし得ると考えられる。 In some embodiments, the semiconductor can include at least ε-WO 3 and at least a second n-type semiconductor material. In some embodiments, ε-WO 3 comprises at least 55%, at least 60%, at least 65%, at least 70%, 90%, 95%, or 99% of the n-type semiconductor material. In some embodiments, the% of ε-WO 3 is% by weight. In some embodiments, the% of ε-WO 3 is mol%. In some embodiments, the ratio of ε phase WO 3 to γ phase is expressed as an XRD peak of ε phase WO 3 at about 49.34 two theta to an XRD peak of γ phase WO 3 at about 26.44 two theta. Can be done. While not intending to be bound by theory, the e-WO 3 spontaneous dipole can be associated with the lattice of the material, so that changes in the lattice can change the strength of the dipole (in other words, the spontaneous polarization of Change). It is believed that changes in the spontaneous dipole moment can lead to changes in the surface charge of the material.
WO3化合物、例えばナノ粉末は、熱プラズマ(直流であり、高周波融合結合プラズマ(RF−ICP)を包含する)、ソルボサーマル、固体反応、熱分解(火炎噴霧)、および燃焼を包含する多くの異なる方法によって調製され得る。いくつかの実施形態において、WO3化合物は燃焼合成され得る。参照によってその全体が本明細書に組み込まれる2014年1月4日出願のPCT出願PCT/US2013/10201に記載されている燃焼合成方法は有用である。なぜなら、高い温度が、ホウ素をWO3格子中にドープすることを助け得、および/またはε相WO3の安定化に寄与し得るからである。ゆえに、燃焼ドーピングプロセスが好ましくあり得る。例えば、WO3ナノ粉末を調製するときには、水中の追加の添加物、例えばメタタングステン酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、および/またはグリシンの分散液(水中に5〜20wt%固体)が、2流体アトマイザを用いてプラズマ体積中に噴霧され得る。好ましくは、前駆体は水中に約20wt%固体まで存在し得る。プラズマは、約25kWプレート電圧において例えばアルゴン、窒素、および/または酸素ガスによって作動させられ得る。それから、プラズマからの凝縮蒸気から形成された粒子がフィルタ上に集められ得る。いくつかの実施形態において、BETを用いて測定される粒子の表面積は、約1m2/gから約500m2/g、約15m2/gから30m2/g、または約20m2/gまでの範囲である。いくつかの実施形態において、得られたWO3は約200℃から約700℃または約300℃から約500℃に加熱され得る。 WO 3 compounds, such as nanopowder, have many, including thermal plasma (direct current, including radio frequency fusion coupled plasma (RF-ICP)), solvothermal, solid state reaction, pyrolysis (flame spray), and combustion It can be prepared by different methods. In some embodiments, the WO 3 compound can be combustion synthesized. The combustion synthesis method described in PCT application PCT / US2013 / 10201 filed January 4, 2014, which is incorporated herein by reference in its entirety, is useful. This is because high temperatures can help dope boron into the WO 3 lattice and / or contribute to stabilization of the ε-phase WO 3 . Hence, a combustion doping process may be preferred. For example, when preparing WO 3 nanopowder, additional additives in water, such as ammonium metatungstate, ammonium nitrate, and / or a dispersion of glycine (5-20 wt% solids in water) are used with a two-fluid atomizer. Can be sprayed into the plasma volume. Preferably, the precursor may be present up to about 20 wt% solids in water. The plasma can be operated by, for example, argon, nitrogen, and / or oxygen gas at about 25 kW plate voltage. The particles formed from the condensed vapor from the plasma can then be collected on the filter. In some embodiments, the surface area of the particles measured using BET is from about 1 m 2 / g to about 500 m 2 / g, from about 15 m 2 / g to 30 m 2 / g, or up to about 20 m 2 / g. It is a range. In some embodiments, the resulting WO 3 can be heated to about 200 ° C. to about 700 ° C. or about 300 ° C. to about 500 ° C.
いくつかの実施形態において、n型半導体の双極子モーメントは、半導体結晶格子を変化させることによって改変され得る。いくつかの実施形態において、結晶格子は、半導体にドープすることによって改変される。いくつかの実施形態において、n型半導体は、少なくとも1つの天然に存在する元素、例えばBのようなIII族アクセプタ元素を希ガス元素によってドープされ得る。いくつかの実施形態において、III族アクセプタ元素はBであり得る。いくつかの実施形態において、ドーパントはBであり得る。いくつかの実施形態において、ドーパントはB3+であり得る。 In some embodiments, the dipole moment of an n-type semiconductor can be modified by changing the semiconductor crystal lattice. In some embodiments, the crystal lattice is modified by doping the semiconductor. In some embodiments, the n-type semiconductor can be doped with at least one naturally occurring element, eg, a group III acceptor element such as B, with a noble gas element. In some embodiments, the group III acceptor element can be B. In some embodiments, the dopant can be B. In some embodiments, the dopant can be B 3+ .
いくつかの実施形態において、多結晶性n型半導体材料は、B、B+、B2+、またはB3+などのホウ素をドープしたイプシロン相WO3を含む。 In some embodiments, the polycrystalline n-type semiconductor material comprises an epsilon phase WO 3 doped with boron, such as B, B + , B 2+ , or B 3+ .
上に記載されているように、いくつかの実施形態において、ドーパント濃度、例えばB、B+、B2+、またはB3+の割合は、n型半導体の重量で約0.0001%、約0.01%、約0.01%、0.05%、0.08%、もしくは0.10%の下限から重量で約0.15%、約0.2%、約0.4%、約0.5%、約0.75%、約1%、約2%、もしくは約5%の上限、および/または記載されている限度のいずれかの組み合わせの間であり得る。いくつかの実施形態において、Xは約0.225g(B)/100g(半導体)であり得る。理論によって限定されようとするものではないが、xおよび/またはドーパント濃度が閾値量よりも上である場合には、存在するイプシロン相WO3および/またはホウ素の量は所望の室温相安定性を提供するためには不十分であり得ると考えられる。加えて、理論によって限定されようとするものではないが、xおよび/またはドーパントの濃度が閾値量よりも下である場合にもまた、存在するε−WO3および/またはホウ素の量は所望の室温相安定性を提供するためには不十分であり得ると考えられる。理論によって限定されようとするものではないが、xおよび/またはドーパントの濃度が閾値量よりも下である場合には、ドーパントは格子中へのドーピングの代わりに偏析し得ると考えられる。 As described above, in some embodiments, the dopant concentration, eg, the proportion of B, B + , B 2+ , or B 3+ is about 0.0001% by weight of the n-type semiconductor, about 0.0. From the lower limit of 01%, about 0.01%, 0.05%, 0.08%, or 0.10% to about 0.15%, about 0.2%, about 0.4%, about 0.0. It may be between an upper limit of 5%, about 0.75%, about 1%, about 2%, or about 5% and / or any combination of the stated limits. In some embodiments, X can be about 0.225 g (B) / 100 g (semiconductor). Without wishing to be limited by theory, if the x and / or dopant concentration is above the threshold amount, the amount of epsilon phase WO 3 and / or boron present will provide the desired room temperature phase stability. It may be insufficient to provide. In addition, without intending to be limited by theory, also when the concentration of x and / or dopant is below a threshold amount, the amount of ε-WO 3 and / or boron present is as desired. It is believed that it may be insufficient to provide room temperature phase stability. Without wishing to be limited by theory, it is believed that if the concentration of x and / or dopant is below a threshold amount, the dopant may segregate instead of doping into the lattice.
ドープされる元素は、一般的には合成中に加えられる前駆体として提供され得る。いくつかの実施形態において、ドーパントは、ε相WO3の安定性を増大させるために十分に小さいサイズのイオン直径を有し得る。いくつかの実施形態において、ドーパントは約50pm(1×10−12メートル)未満のイオン直径を有し得る。いくつかの実施形態において、ドーパントは約5pm、10pm、15pm、20pm、30pm、35pmから、約45pmまで、約50pmまで、約55pmまでのイオン直径を有し得る。一般的に90%半導体および10%ドーパントのものにおけるイオン種の例示的なイオン直径が表1に記載されている。 Doped elements can generally be provided as precursors added during synthesis. In some embodiments, the dopant may have an ionic diameter that is small enough to increase the stability of the ε-phase WO 3 . In some embodiments, the dopant may have an ionic diameter of less than about 50 pm (1 × 10 −12 meters). In some embodiments, the dopant can have an ionic diameter from about 5 pm, 10 pm, 15 pm, 20 pm, 30 pm, 35 pm, up to about 45 pm, up to about 50 pm, up to about 55 pm. Exemplary ionic diameters of ionic species, typically at 90% semiconductor and 10% dopant, are listed in Table 1.
所望のイオン種のイオン直径は式2にしたがって特定され得る。
([半導体の%モル量×半導体イオンサイズ]+ドーパントのモル量×ドーパントイオンサイズ)/[90%+10%]100 (式2)
The ionic diameter of the desired ionic species can be specified according to Equation 2.
([% Molar amount of semiconductor × semiconductor ion size] + molar amount of dopant × dopant ion size) / [90% + 10%] 100 (Formula 2)
例えば、Bイオンサイズを特定するためには、90×[W6+イオンサイズ][6660]+.10×[[580]/100であり、約41pmという計算されたB3+イオンサイズをもたらす。いくつかの実施形態において、ドーパントはホウ素であり得る。いくつかの実施形態において、ドーパントはB3+であり得、例えば約41pmのイオン直径を有する。理論によって拘束されようとするものではないが、ε相WO3よりも小さいイオン直径、例えば約74pmのドーパント分子によるドーピングは結晶の総体的な単位胞体積を収縮させ得、室温におけるε−WO3の安定性に寄与すると考えられる。 For example, to specify the B ion size, 90 × [W 6+ ion size] [6660] +. 10 × [[580] / 100, resulting in a calculated B 3+ ion size of about 41 pm. In some embodiments, the dopant can be boron. In some embodiments, the dopant can be B 3+ , eg, having an ionic diameter of about 41 pm. Without wishing to be bound by theory, doping with dopant molecules having an ionic diameter smaller than the ε-phase WO 3 , eg, about 74 pm, can shrink the overall unit cell volume of the crystal, and ε-WO 3 at room temperature. It is thought to contribute to the stability of
いくつかの実施形態において、n型半導体は少なくとも1つの金属を担持され得る。担持される元素は、含浸(Liu, M. et al., Chemistry of Materials, published online 2011)、光還元(Abe et al., Journal of the American Chemical Society, 130:7780-7781, 2008)、およびスパッタリングのようなポスト合成法によって提供され得る。いくつかの実施形態においては、担持は静電吸着によって実施され得る。好ましい実施形態として、半導体に金属を担持することは、その全体が参照によって本明細書に組み込まれるUS特許公開番号US2008/0241542に記載されているように実施され得る。 In some embodiments, the n-type semiconductor can carry at least one metal. Supported elements include impregnation (Liu, M. et al., Chemistry of Materials, published online 2011), photoreduction (Abe et al., Journal of the American Chemical Society, 130: 7780-7781, 2008), and It can be provided by a post synthesis method such as sputtering. In some embodiments, the loading can be performed by electrostatic adsorption. As a preferred embodiment, loading a metal on a semiconductor can be performed as described in US Patent Publication No. US2008 / 0241542, which is incorporated herein by reference in its entirety.
いくつかの実施形態において、担持される元素は貴金属元素である。いくつかの実施形態において、担持される元素は貴金属元素、貴金属元素酸化物、貴金属元素過酸化物(Ag2O2)、および/または貴金属元素水酸化物であり得る。いくつかの実施形態において、貴金属元素(単数または複数)はAu、Ag、Pt、Pd、Ir、Ru、Rh、またはそれらの酸化物および/もしくは水酸化物であり得る。いくつかの実施形態において、担持される元素は遷移金属、それらの酸化物、および/または水酸化物から選択される。いくつかの実施形態において、担持される元素はPtまたはその酸化物および水酸化物であり得る。いくつかの実施形態において、担持される元素は、少なくとも1つの遷移金属および少なくとも1つの貴金属、またはそれらのそれぞれの酸化物および水酸化物を包含する元素の異なる群から選ばれ得る。 In some embodiments, the supported element is a noble metal element. In some embodiments, the supported elements can be noble metal elements, noble metal element oxides, noble metal element peroxides (Ag 2 O 2 ), and / or noble metal element hydroxides. In some embodiments, the noble metal element (s) can be Au, Ag, Pt, Pd, Ir, Ru, Rh, or oxides and / or hydroxides thereof. In some embodiments, the supported elements are selected from transition metals, their oxides, and / or hydroxides. In some embodiments, the supported element can be Pt or its oxides and hydroxides. In some embodiments, the supported elements can be selected from different groups of elements including at least one transition metal and at least one noble metal, or their respective oxides and hydroxides.
共触媒はセンサ感度を向上させる材料を包含する。いくつかの実施形態において、共触媒はセンサ感度を改善させ得る。例えば、共触媒は感度を少なくとも約1.2、少なくとも約1.5、少なくとも約1.8、少なくとも約2、少なくとも約3、または少なくとも約5増大させ得る。感度の比率を定量する1つの方法は、共触媒を含むセンサの確定した感度値を共触媒を含まないセンサのものと比較することを包含し得る。例えば、感度値を特定する好適な方法は、式Rair/RgasまたはRgas/Rairによってであり、Rairは空気の測定された抵抗率(オーム)であり、Rgasは被検成分のガス、例えばアセトンの測定された抵抗率である。表2参照。 Cocatalysts include materials that improve sensor sensitivity. In some embodiments, the cocatalyst may improve sensor sensitivity. For example, the cocatalyst can increase sensitivity by at least about 1.2, at least about 1.5, at least about 1.8, at least about 2, at least about 3, or at least about 5. One method of quantifying the sensitivity ratio may include comparing the determined sensitivity value of a sensor that includes a cocatalyst with that of a sensor that does not include a cocatalyst. For example, a suitable method for determining the sensitivity value is by the formula R air / R gas or R gas / R air , where R air is the measured resistivity (ohms) of air and R gas is the analyte The measured resistivity of a gas such as acetone. See Table 2.
例えば、共触媒の存在は、センサの感度をその元々の感度よりも約80%多く増大させ得る。いくつかの実施形態において、感度の増大はその元々の感度の約10%、約17.5%、約25%超、例えば約35〜50%および/または約50から約90%、例えば約80%である。 For example, the presence of a cocatalyst can increase the sensitivity of the sensor by about 80% over its original sensitivity. In some embodiments, the increase in sensitivity is about 10%, about 17.5%, greater than about 25%, such as about 35-50% and / or about 50 to about 90%, such as about 80% of its original sensitivity. %.
いくつかの共触媒は、半導体の伝導バンドからの電子移動によって還元される能力がある化合物または半導体であり得る。例えば、共触媒は半導体の伝導バンドよりも低いエネルギーを有する伝導バンドを有し得、または共触媒は半導体の伝導バンドよりも低いエネルギーを有する最も低い非占有分子軌道を有し得る。電子は、それが「より低いエネルギー」のバンドまたは分子軌道に移動するときにはエネルギーを失う。電子は、それが「より高いエネルギー」のバンドまたは分子軌道に移動するときにはエネルギーを獲得する。 Some cocatalysts can be compounds or semiconductors capable of being reduced by electron transfer from the semiconductor conduction band. For example, the cocatalyst may have a conduction band having an energy lower than that of the semiconductor, or the cocatalyst may have the lowest unoccupied molecular orbital having an energy lower than that of the semiconductor. An electron loses energy when it moves into a “lower energy” band or molecular orbital. An electron gains energy when it moves into a “higher energy” band or molecular orbital.
理論によって限定されようとするものではないが、本発明者は、いくつかの共触媒はO2を還元する能力がある金属酸化物であり得ると考える。例えば、CeO2は電子移動によってO2ガスを還元し得る。かくする際に、Ce3+は電子をO2に移動させ、結果としてCe4+に変換されると考えられる。半導体組成物において、半導体は電子をCeO2に移動させ得、それゆえにCe4+をCe3+に変換し、それからCe3+はO2を還元し得る。Ce3+は、CeO2およびO2ならびにスーパーオキシドラジカルイオンO2−を包含する平衡プロセスの結果としてもまた存在し得る。O2およびスーパーオキシドラジカルイオンは、かかる平衡プロセスにおいて固体CeO2の表面に吸着されるかまたは雰囲気中に存在し得る。Ce3+は、意図的に加えられるかまたは不純物として存在し得る異なる酸化状態のセリウム種による酸化および還元反応の結果としてもまた存在し得る。 Without intending to be limited by theory, the inventor believes that some cocatalysts can be metal oxides capable of reducing O 2 . For example, CeO 2 can reduce O 2 gas by electron transfer. In doing so, it is believed that Ce 3+ moves electrons to O 2 and is consequently converted to Ce 4+ . In a semiconductor composition, the semiconductor can transfer electrons to CeO 2 , thus converting Ce 4+ to Ce 3+ , and then Ce 3+ can reduce O 2 . Ce 3+ can also be present as a result of an equilibrium process involving CeO 2 and O 2 and the superoxide radical ion O 2− . O 2 and superoxide radical ions can be adsorbed on the surface of solid CeO 2 in such an equilibrium process or present in the atmosphere. Ce 3+ may also be present as a result of oxidation and reduction reactions with cerium species of different oxidation states that may be intentionally added or present as impurities.
いくつかの共触媒は、雰囲気中O2をスーパーオキシドラジカルイオンに変換する能力があり得る。例えば、CeO2は雰囲気中酸素をスーパーオキシドラジカルイオンに変換する能力がある。上に記載されている平衡および/または電子移動プロセスのいくつかは、CeO2のこの特性に寄与し得ると考えられる。かかる変換は周囲条件などの種々の条件下において生じ得、例えば、約10%から約30%、約15%から約25%、または約20%酸素のモル濃度などの通常の雰囲気中酸素濃度、約0℃から約1000℃、約0℃から約100℃、約10℃から約50℃、または約20℃から約30℃などの周囲温度、および約0.5から約2atm、約0.8atmから約1.2atm、または約1atmなどの圧力を包含する。かかる変換は、上昇または減少した温度、圧力、または酸素濃度下においてもまた生じ得る。 Some cocatalysts may be capable of converting O 2 into superoxide radical ions in the atmosphere. For example, CeO 2 has the ability to convert oxygen in the atmosphere into superoxide radical ions. Some equilibration and / or electron transfer processes described above are believed to be contributing to this characteristic of CeO 2. Such conversion can occur under a variety of conditions, such as ambient conditions, such as normal atmospheric oxygen concentrations, such as a molar concentration of about 10% to about 30%, about 15% to about 25%, or about 20% oxygen, Ambient temperature such as about 0 ° C to about 1000 ° C, about 0 ° C to about 100 ° C, about 10 ° C to about 50 ° C, or about 20 ° C to about 30 ° C, and about 0.5 to about 2 atm, about 0.8 atm From about 1.2 atm, or about 1 atm. Such conversion can also occur under elevated or reduced temperatures, pressures, or oxygen concentrations.
いくつかの共触媒は、半導体の価電子バンドよりも高いエネルギーの価電子バンドまたは最も高い占有分子軌道を有し得る。これは、半導体の価電子バンド中の正孔が共触媒の最も高い占有分子軌道または価電子バンドに移動することを許し得る。それから、共触媒の価電子バンドまたは最も高い占有分子軌道中の正孔はH2OまたはOH−を酸化してOH・にし得る。例えば、WO3が半導体として選ばれる場合には、かかる共触媒の例はアナターゼTiO2、SrTiO3、KTaO3、SiC、および/またはKNbO3を包含し得る。 Some cocatalysts may have a higher energy valence band or highest occupied molecular orbital than the semiconductor valence band. This may allow holes in the semiconductor valence band to migrate to the highest occupied molecular orbital or valence band of the cocatalyst. Then, holes in the valence band or the highest occupied molecular orbital of the co-catalyst is H 2 O or OH - may in OH · to oxidize. For example, if WO 3 is chosen as the semiconductor, examples of such cocatalysts can include anatase TiO 2 , SrTiO 3 , KTaO 3 , SiC, and / or KNbO 3 .
いくつかの実施形態において、共触媒は無機であり得る。いくつかの実施形態において、無機共触媒はバインダであり得る。いくつかの実施形態において、共触媒は金属二酸化物などの酸化物であり得、CeO2、TiO2、または同類を包含する。いくつかの実施形態において、共触媒はSiO2、SnO2、Al2O3、ZrO2、Fe2O3、Fe3O4、NiO、Nb2O5、および/またはCeO2であり得る。いくつかの実施形態において、複合材料は無機共触媒と半導体材料との物理的混合物を含み得る。別の実施形態において、半導体材料対共触媒、例えばCeO2の比は、40〜60モル%の半導体材料および60〜40モル%の無機共触媒、例えばCeO2の間などの、約2:3から約3:2であり得る。別の実施形態において、半導体材料対共触媒材料、例えばCeO2の比は約1:1[50モル%対50モル%]であり得る。いくつかの実施形態において、CeO2はゾルである。いくつかの実施形態において、ガスセンサ素子はガンマ相WO3などのn型半導体とCeO2などのp型半導体との物理的混合物を含有する。いくつかの実施形態において、ガスセンサ素子は、ガンマ相WO3とCeO2との物理的混合物を約10:1から約1:2、約5:1から約1:1、約7:3から約1:1、または約13:8の重量比(WO3:CeO2)で含有する。
In some embodiments, the cocatalyst can be inorganic. In some embodiments, the inorganic cocatalyst can be a binder. In some embodiments, the cocatalyst can be an oxide such as a metal dioxide, including CeO 2 , TiO 2 , or the like. In some embodiments, the co-catalyst may be a SiO 2, SnO 2, Al 2
いくつかの実施形態において、n型半導体、ドープしたかもしくはドープしていないWO3化合物、および/または共触媒、あるいはその複合物は燃焼合成され得る。いくつかの実施形態において、合成される光触媒材料は約9m2/g、10m2/g、12m2/g、15m2/g、17.5m2/g、および/または22m2/g超の比表面積を有し得る。比表面積について得られる値は、ブルナウアー−エメット−テラー(N2−BET)吸着方法を包含するがこれに限定されない当業者に公知の方法によって得られる。材料が燃焼合成されるときには、例えば長さ約50〜200μmおよび直径約20μmの細長い形態を有し、約6〜8m2/gの比表面積を有するもたらされる材料があり(例10、表5参照、図12A参照)、例えばBETによれば約7m2/gのSSAを有するということが見いだされた。いくつかの実施形態において、理論によって限定されようとするものではないが、燃焼合成されたn型半導体、例えば式1の化合物の比表面積を増大させることがセンサ感度の増大に対応するということが見いだされた。
In some embodiments, n-type semiconductors, doped or undoped WO 3 compounds, and / or cocatalysts, or composites thereof may be combustion synthesized. In some embodiments, the photocatalytic material is synthesized is about 9m 2 / g, 10m 2 / g, 12m 2 / g, 15m 2 /g,17.5m 2 / g, and / or 22m 2 / g greater than It may have a specific surface area. The value obtained for the specific surface area is obtained by methods known to those skilled in the art including, but not limited to, Brunauer-Emmett-Teller (N2-BET) adsorption methods. When the material is synthesized by combustion, for example, there is a resulting material having an elongated form of about 50-200 μm in length and a diameter of about 20 μm and a specific surface area of about 6-8 m 2 / g (see Example 10, Table 5). , See FIG. 12A), for example, according to BET, was found to have an SSA of about 7 m 2 / g. In some embodiments, without intending to be limited by theory, increasing the specific surface area of a combustion synthesized n-type semiconductor, eg, a compound of
いくつかの実施形態において、SSAを増大させることは、燃焼合成された粒子のサイズを減少させることからもたらされ得る。いくつかの実施形態において、SSAを増大させることは、細長い棒状体を改変して燃焼合成された粒子のより球形の粒子にすることからもたらされ得る。いくつかの実施形態において、燃焼合成された粒子の形態を変改することは、粒子をより球形にすることによってであり得る。いくつかの実施形態において、SSAを増大させることは、燃焼合成された材料をボールミル処理することによってであり得る。いくつかの実施形態において、SSAを増大させることは、燃焼合成された材料の分散液を超音波分解し、それから減少したサイズの超音波分解された材料を選択的に分離することによってであり得る。 In some embodiments, increasing the SSA can result from reducing the size of the combustion synthesized particles. In some embodiments, increasing the SSA can result from modifying the elongated rod to make it a more spherical particle of combustion synthesized particles. In some embodiments, altering the morphology of the combustion synthesized particles can be by making the particles more spherical. In some embodiments, increasing the SSA can be by ball milling the combustion synthesized material. In some embodiments, increasing the SSA may be by sonicating the dispersion of combustion synthesized material and then selectively separating the reduced size sonicated material. .
いくつかの実施形態において、SSAを増大させることは、燃焼合成された材料をボールミル処理することによってであり得る。いくつかの実施形態において、SSAを増大させることは、燃焼合成された材料を湿式ミル処理することからもたらされ得る。いくつかの実施形態において、湿式ミル処理は、所望の材料/前駆体をキャリア溶剤中に分散することを含み得る。いくつかの実施形態において、キャリア溶剤はC1−C5アルコールであり得る。いくつかの実施形態において、C1−C5アルコールはイソプロパノール、メタノール、および/もしくはエタノール、またはその混合物であり得る。ボールミル処理されようとする試料の量、ミルボールのサイズ、ミル処理時間の長さ、およびボールミル機械のスピード/回転は、SSAを十分な量増大させるために十分なボールミル処理の量についての考慮事項である。いくつかの実施形態において、ミルボールは直径約1mmから約10mm、例えば直径3mmおよび/または5mmであり得る。いくつかの実施形態において、ミルボールは少なくとも第1および第2のサイズの複数のミルボール、異なる直径の第1および第2のミルボールを含み得る。いくつかの実施形態において、第1および第2のミルボールの比は、第1のミルボール直径のミルボールの量対第2のミルボール直径のミルボールの量の約1:1wt%比、2.5:1比、4:1比、5:1比、7.5:1比、および/または10:1wt%比の範囲であり得る。いくつかの実施形態において、第1のミルボールは第2のミルボールよりも小さい直径を有し得る。例えば、ボールミル処理のためには、約2.00gのWO3/0.05%のBならびにメタノールの15.00ml、3mmミルボールの20g、および5mmミルボールの4gが用いられ得る。 In some embodiments, increasing the SSA can be by ball milling the combustion synthesized material. In some embodiments, increasing the SSA may result from wet milling the combustion synthesized material. In some embodiments, wet milling may include dispersing the desired material / precursor in a carrier solvent. In some embodiments, the carrier solvent may be a C 1 -C 5 alcohol. In some embodiments, the C 1 -C 5 alcohol can be isopropanol, methanol, and / or ethanol, or a mixture thereof. The amount of sample to be ball milled, the size of the mill ball, the length of the milling time, and the speed / rotation of the ball mill machine are considerations for the amount of ball milling sufficient to increase the SSA by a sufficient amount. is there. In some embodiments, the millball can be about 1 mm to about 10 mm in diameter, such as 3 mm and / or 5 mm in diameter. In some embodiments, the millball can include a plurality of millballs of at least first and second sizes, first and second millballs of different diameters. In some embodiments, the ratio of the first and second millballs is a ratio of about 1: 1 wt% of the amount of millballs of the first millball diameter to the amount of millballs of the second millball diameter, 2.5: 1. The ratio can range from 4: 1 ratio, 5: 1 ratio, 7.5: 1 ratio, and / or 10: 1 wt% ratio. In some embodiments, the first millball may have a smaller diameter than the second millball. For example, for ball milling, about 2.00 g of WO 3 /0.05% B and 15.00 ml of methanol, 20 g of 3 mm mill balls, and 4 g of 5 mm mill balls can be used.
ボールミル処理は多結晶性n型半導体の直径を減少させ得る。これは、半導体の均質で均一なコーティングをセンサプラットフォーム上に調製するために役立ち得る。いくつかの実施形態において、多結晶性n型半導体、またはn型半導体とp型半導体との多結晶性の物理的混合物は、約0.01μmから約1μm、約0.1μmから約1μm、もしくは約0.2μmから約0.5μmの直径もしくは平均直径、またはこれらの値のいずれかによって制限されるかもしくはその間の範囲内におけるいずれかの直径を有し得る。 Ball milling can reduce the diameter of polycrystalline n-type semiconductors. This can help to prepare a uniform and uniform coating of semiconductor on the sensor platform. In some embodiments, the polycrystalline n-type semiconductor or the polycrystalline physical mixture of the n-type semiconductor and the p-type semiconductor is about 0.01 μm to about 1 μm, about 0.1 μm to about 1 μm, or It may have a diameter or average diameter of about 0.2 μm to about 0.5 μm, or any diameter that is limited by or within the range of any of these values.
いくつかの実施形態において、材料をボールミル処理するための時間の長さは約0.5時間から約1週間、1時間から約72時間、約12時間から約36時間の間であり得る。いくつかの実施形態において、上に記載されている時間の長さは、上に記載されているミルボールのサイズと併せてのためであり得る。いくつかの実施形態においては、約2.00gのWO3/0.05%のB、メタノールの15.00ml、3mmミルボールの20g、および5mmミルボールの4gをボールミル処理することが約17時間であり得る。 In some embodiments, the length of time for ball milling the material can be between about 0.5 hours to about 1 week, 1 hour to about 72 hours, about 12 hours to about 36 hours. In some embodiments, the length of time described above may be due to the size of the millball described above. In some embodiments, it is about 17 hours to ball mill about 2.00 g of WO 3 /0.05% B, 15.00 ml of methanol, 20 g of 3 mm mill balls, and 4 g of 5 mm mill balls. obtain.
いくつかの実施形態において、ボールミル処理機械は遊星ボールミルであり得る。好適なボールミルの例はSFM−1デスクトップ遊星ボールミル(MTI−Corp、リッチモンド、CA、USA)であり得る。いくつかの実施形態において、遊星ボールミルは約500rpm、1000rpmから約2500rpm、5000rpm、もしくは10000rpm、または上の回転スピードのいずれかの組み合わせで回転するように設定され得る。いくつかの実施形態において、遊星ボールミルは約1500rpmで回転し得る。 In some embodiments, the ball mill processing machine may be a planetary ball mill. An example of a suitable ball mill may be the SFM-1 desktop planetary ball mill (MTI-Corp, Richmond, CA, USA). In some embodiments, the planetary ball mill may be set to rotate at about 500 rpm, 1000 rpm to about 2500 rpm, 5000 rpm, or 10,000 rpm, or any combination of the above rotational speeds. In some embodiments, the planetary ball mill can rotate at about 1500 rpm.
いくつかの実施形態において、SSAは、燃焼合成された材料の分散液を超音波分解し、それから減少したサイズの超音波分解された材料を選択的に分離することによって、増大させられ得る。いくつかの実施形態において、超音波分解することは、約35kHzで試料を振動させることによってであり得る。いくつかの実施形態において、超音波分解することは約5分間から約6時間であり得る。好適な超音波分解器はSYMPHONY(商標)ウルトラソニッククリーナー(VWR、モデルno.97043−958)であり得る。いくつかの実施形態において、約35kHzで超音波分解することは約60分間であり得る。いくつかの実施形態において、減少したサイズの超音波分解された試料を選択的に分離することは、センサ基板上への滴下堆積のために、超音波分解された試料の分散液の表面のすぐ下からアリコートを分離することによってであり得る。 In some embodiments, SSA may be increased by sonicating a dispersion of combustion synthesized material and then selectively separating the reduced size sonicated material. In some embodiments, sonicating can be by vibrating the sample at about 35 kHz. In some embodiments, sonicating can be from about 5 minutes to about 6 hours. A suitable sonicator may be a SYMPHONY ™ Ultrasonic Cleaner (VWR, model no. 97043-958). In some embodiments, sonicating at about 35 kHz can be about 60 minutes. In some embodiments, selectively separating the reduced size sonicated sample is immediately adjacent to the surface of the sonicated sample dispersion for drop deposition on the sensor substrate. This can be by separating an aliquot from the bottom.
いくつかの実施形態において、センサは被検成分を検出し得る。いくつかの実施形態において、被検成分は極性であり得る。いくつかの実施形態において、被検成分は、例えば約1.00D、約1.25D、約1.30D、約1.40D、約1.50D、約1.60D、約1.70D、約1.85D、約1.90D、約2.00D、約2.25D、または約2.50D超の双極子モーメントを有し得る。例示的な材料およびそれらの双極子モーメントが下の表3に記載されている。 In some embodiments, the sensor may detect a test component. In some embodiments, the test component can be polar. In some embodiments, the test component is, for example, about 1.00D, about 1.25D, about 1.30D, about 1.40D, about 1.50D, about 1.60D, about 1.70D, about 1. It may have a dipole moment greater than .85D, about 1.90D, about 2.00D, about 2.25D, or about 2.50D. Exemplary materials and their dipole moments are listed in Table 3 below.
いくつかの実施形態において、被検成分はガスであり得る。いくつかの実施形態において、被検成分はアセトンであり得、いくつかの実施形態において、被検成分はエタノールでもまたあり得る。 In some embodiments, the analyte can be a gas. In some embodiments, the test component can be acetone, and in some embodiments, the test component can also be ethanol.
いくつかの実施形態においては、センサ組成物を作るための方法が記載され、当該方法は、n型半導体前駆体水溶液を作り出すことと、予熱された機器中において溶液を加熱し、予熱された機器は水溶液の燃焼温度の実質的に近くまで予熱されていることと、前駆体溶液を燃焼反応させることと、燃焼反応生成物を焼鈍することとを含む。いくつかの実施形態において、機器は少なくとも約420℃まで予熱され得る。 In some embodiments, a method for making a sensor composition is described that includes creating an aqueous n-type semiconductor precursor solution, heating the solution in a preheated device, and the preheated device. Includes preheating to substantially close to the combustion temperature of the aqueous solution, subjecting the precursor solution to a combustion reaction, and annealing the combustion reaction product. In some embodiments, the equipment can be preheated to at least about 420 degrees Celsius.
図1はセンサ素子10の実施形態を図示している。いくつかの実施形態において、センサ素子10は第1の電極14および第2の電極18を含み得る。いくつかの実施形態において、センサは、第1および第2の電極の間に配置されたn型半導体材料16を含み得る。いくつかの実施形態において、n型半導体材料は第1および第2の電極を電気的に接続してあり得る。いくつかの実施形態において、n型半導体材料は、第1および第2の電極間にならびに/または両方と物理的に接触して配置され得る。
FIG. 1 illustrates an embodiment of a
図1に示されているように、センサ素子10は第1の電極14を含み得る。いくつかの実施形態において、第1の電極は、基板、例えばアルミナ支持体上に配置された1つ以上の電極指14A、14B、14C、14D、14Eを含み得る。いくつかの実施形態において、センサ素子10は第2の電極18をもまた含み得る。いくつかの実施形態において、第2の電極18は1つ以上の電極指18A、18B、18C、18D、および18Eをもまた含み得る。いくつかの実施形態において、それぞれの電極指は互いにかみ合わされている。いくつかの実施形態において、電極指は、半導性材料によってギャップにまたがる電気的な回路を閉じることを可能にするために十分に密接している。いくつかの実施形態において、電極指は少なくとも2、少なくとも3、少なくとも4、または少なくとも5つの互いにかみ合わされた指であり得る。いくつかの実施形態においては、第1の電極14および第2の電極18の間には距離があり得る。いくつかの実施形態において、電極間の距離は0.01milから約100milの間、約0.1milから約25milの間、および/または約0.5milから約10milの間であり得、いくつかの実施形態において、装置の電極は複数の互いにかみ合わされた指、例えば14A〜14Eを含み得る。
As shown in FIG. 1, the
いくつかの実施形態において、センサ素子は半導体材料16を含む。いくつかの実施形態において、半導体材料は第1および第2の電極を実質的にカバーするために十分な高さであり、いくつかの実施形態において、半導体材料の高さは、約1μmから約10μm、約2μmから約7μm、約3μmから約5μm、および/または上に記載されている値のいずれかの組み合わせの間であり得る。図2に示されているように、いくつかの実施形態において、半導体16、例えば16A、16B、16C、16D、16Eは、第1の電極、例えば電極指14A、14B、および14Cならびに第2の電極、例えば第2の電極指18Aおよび18Bの間に、それらの周りに、ならびに/またはそれらと電気的接触をして配置され得る。
In some embodiments, the sensor element includes a
図3に示されているように、いくつかの実施形態において、半導体は電極を覆って配置され得る。いくつかの実施形態においては、ヒータ素子13(例えば13A、13B)が電極14および18に近接して配置され得る。ヒータ素子、例えばループまたは回路によって電流を提供することは、基板ならびに/または第1および第2の電極を所望の温度に加熱し得る。いくつかの実施形態において、センサ素子は電極間に配置された少なくとも半導体16を含む。いくつかの実施形態において、半導体材料16の高さは電極14および/または18の高さよりも高い。いくつかの実施形態において、半導体材料は、電極指間のギャップの長さよりも小さい最大の寸法を有する一次粒子を含む。いくつかの実施形態において、半導体16は、約0.2μmから約1.1μmおよび/または約0.3μmから約1.0μmのメディアン直径を有する粒子を有する半導体材料を含む。1つの実施形態において、メディアン直径は、約0.4から約0.8μmおよび/または記載されている限定のいずれかの組み合わせの間であり得る。いくつかの実施形態において、粒子のメディアン直径は約0.4μmから約0.5μm、例えば約0.50086μmであり得る。
As shown in FIG. 3, in some embodiments, the semiconductor can be placed over the electrodes. In some embodiments, the heater element 13 (eg, 13A, 13B) may be positioned proximate to the
第1および第2の電極は伝導性材料から形成され得る。いくつかの実施形態において、電極は金(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、および/またはそのいずれかの混合物であり得る。 The first and second electrodes can be formed from a conductive material. In some embodiments, the electrode can be gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), and / or any mixture thereof.
いくつかの実施形態において、半導体16は、ドープされた、担持された、および/または物理的に混合された半導体のいずれかを含み得る。
In some embodiments, the
センサ素子が機能する温度は、異なる半導体材料、ドーパント、被担持物、および/または共触媒によって影響され得る。いくつかの実施形態において、電極14および18は基板12上に配置される。いくつかの実施形態において、ヒータ素子13は電極14および18に近接して配置される。いくつかの実施形態において、いずれかのドーパントおよび/または共触媒と組み合わされたn型半導体組成物はスラリーに形成され得る。スラリーは電極および基板上にドロップコートされ得る。いくつかの実施形態においては、余分なスラリーがアセトンセンサ素子から分離され得、そのため、残りのn型半導体スラリーが図2におけるように電極間のギャップを充填する。
The temperature at which the sensor element functions can be affected by different semiconductor materials, dopants, supports, and / or cocatalysts. In some embodiments, the
いくつかの実施形態において、センサ素子は温度のある範囲内において被検成分のガスの存在を検出し得る。いくつかの実施形態において、センサ素子は0℃および400℃の間において被検成分のガスの存在を検出し得る。いくつかの実施形態において、センサ素子は約0℃および約200℃、約100℃および約300℃、または約200℃および約400℃の間において被検成分のガスの存在を検出し得る。いくつかの実施形態において、センサ素子は約0℃および約20℃、約20℃および約40℃、約40℃および約60℃、約60℃および約80℃、約80℃および約100℃、約100℃および約120℃、約120℃および約140℃、約140℃および約160℃、約160℃および約180℃、約180℃および約200℃、約200℃および約220℃、約220℃および約240℃、約240℃および約260℃、約260℃および約280℃、約280℃および約300℃、約300℃および約320℃、約320℃および約340℃、約340℃および約360℃、約360℃および約380℃、もしくは約380℃約400℃の間において被検成分のガスの存在を検出し得、または、これらの値のいずれかによって制限されるかもしくはそれらの間のいずれかの温度である。いくつかの実施形態において、センサは、上に記載されている温度のいくつかまたはいずれかの組み合わせにおいて被検成分のガスの存在を検出し得る。いくつかの実施形態において、センサ素子は室温において被検成分のガスの存在を検出し得る。いくつかの実施形態において、被検成分のガスはアセトン、エタノール、ならびに/またはアセトンおよびエタノール両方であり得る。 In some embodiments, the sensor element may detect the presence of the analyte gas within a range of temperatures. In some embodiments, the sensor element may detect the presence of the analyte gas between 0 ° C and 400 ° C. In some embodiments, the sensor element may detect the presence of the analyte gas at between about 0 ° C. and about 200 ° C., about 100 ° C. and about 300 ° C., or between about 200 ° C. and about 400 ° C. In some embodiments, the sensor element is about 0 ° C. and about 20 ° C., about 20 ° C. and about 40 ° C., about 40 ° C. and about 60 ° C., about 60 ° C. and about 80 ° C., about 80 ° C. and about 100 ° C., About 100 ° C and about 120 ° C, about 120 ° C and about 140 ° C, about 140 ° C and about 160 ° C, about 160 ° C and about 180 ° C, about 180 ° C and about 200 ° C, about 200 ° C and about 220 ° C, about 220 ° C And about 240 ° C, about 240 ° C and about 260 ° C, about 260 ° C and about 280 ° C, about 280 ° C and about 300 ° C, about 300 ° C and about 320 ° C, about 320 ° C and about 340 ° C, about 340 ° C and The presence of the analyte gas can be detected between about 360 ° C, about 360 ° C and about 380 ° C, or about 380 ° C to about 400 ° C, or limited by any of these values. Luke or is any temperature therebetween. In some embodiments, the sensor may detect the presence of the analyte gas at some or any combination of the temperatures described above. In some embodiments, the sensor element may detect the presence of the analyte gas at room temperature. In some embodiments, the analyte gas can be acetone, ethanol, and / or both acetone and ethanol.
いくつかの実施形態において、ホウ素をドープしたイプシロンWO3などの多結晶性n型半導体素子は、約150℃から約400℃または約190℃から約360℃などの、約150℃よりも上または約190℃よりも上の温度において作動し得る。いくつかの実施形態において、ホウ素をドープしたイプシロンWO3などの多結晶性n型半導体素子は、約280℃または約310℃から約360℃などの約280℃または約310℃よりも高い温度において作動させられるときには、アセトンまたはエタノールよりもイソプレンに対して高感度であり得る。いくつかの実施形態において、ホウ素をドープしたイプシロンWO3などの多結晶性n型半導体素子は、約180℃から約240℃などの約240℃よりも下の温度において作動させられるときに、イソプレンまたはエタノールよりもアセトンに対して高感度であり得る。 In some embodiments, the polycrystalline n-type semiconductor device, such as boron-doped epsilon WO 3 , is above about 150 ° C, such as about 150 ° C to about 400 ° C or about 190 ° C to about 360 ° C. It can operate at temperatures above about 190 ° C. In some embodiments, the polycrystalline n-type semiconductor device, such as boron-doped epsilon WO 3, is at a temperature greater than about 280 ° C or about 310 ° C, such as about 280 ° C or about 310 ° C to about 360 ° C. When activated, it can be more sensitive to isoprene than acetone or ethanol. In some embodiments, a polycrystalline n-type semiconductor device such as boron-doped epsilon WO 3 isoprene when operated at a temperature below about 240 ° C., such as about 180 ° C. to about 240 ° C. Or it may be more sensitive to acetone than ethanol.
いくつかの実施形態において、センサ素子は可視光の存在下において被検成分のガスの存在を検出し得る。いくつかの実施形態において、可視光は約350nm、約375nm、約400nmから約500nm、550nm、600nm、および/もしくは650nmの間、または前述の波長のいずれかの組み合わせの範囲のピーク波長を有し得る。いくつかの実施形態において、センサ素子は、650nm未満、600nm未満、550nm未満、500nm未満、450nm未満、400nm未満の波長を有する光の存在下で被検成分のガスの存在を検出し得る。いくつかの実施形態において、センサ素子は、上記した波長、例えば約455nmで発光する約30〜40mW/cm2パワーのパワーのLED、例えば青色LED(BLED)の存在下において、被検成分のガスの存在を検出し得る。いくつかの実施形態において、センサは、上記した可視光の存在下で室温において被検成分のガスの存在を検出し得る。抵抗率は、より高い温度のセンサ作動においては、アセトンに暴露されるときに減少し得ると考えられる。いくつかの場合においては、センサの室温での作動は、BLED光の下におけるアセトンに暴露されたときに抵抗率の変化の増大を示したように見えた。 In some embodiments, the sensor element may detect the presence of the analyte gas in the presence of visible light. In some embodiments, the visible light has a peak wavelength between about 350 nm, about 375 nm, about 400 nm to about 500 nm, 550 nm, 600 nm, and / or 650 nm, or a range of any combination of the foregoing wavelengths. obtain. In some embodiments, the sensor element may detect the presence of the analyte gas in the presence of light having a wavelength of less than 650 nm, less than 600 nm, less than 550 nm, less than 500 nm, less than 450 nm, less than 400 nm. In some embodiments, the sensor element is a gas of a test component in the presence of an LED having a power of about 30-40 mW / cm 2 that emits at the wavelength described above, eg, about 455 nm, eg, a blue LED (BLED). The presence of can be detected. In some embodiments, the sensor may detect the presence of the analyte gas at room temperature in the presence of visible light as described above. It is believed that the resistivity may decrease when exposed to acetone in higher temperature sensor operation. In some cases, room temperature operation of the sensor appeared to show an increase in resistivity change when exposed to acetone under BLED light.
いくつかの実施形態においては、共触媒、例えばCeO2またはTiO2を有するガンマ相WO3などの多結晶性n型半導体材料は、多結晶性n型半導体材料が青色光などの可視光、例えば約450nmから495nmの波長を有する光に暴露されるときに、アセトン、エタノール、またはイソプレンなどの揮発性有機化合物を約10℃から約50℃、約10℃から約40℃、約20℃から約30℃、約25℃から約30℃、または約室温などの低い温度において検出し得る。 In some embodiments, a polycrystalline n-type semiconductor material such as a gamma phase WO 3 with a cocatalyst, for example CeO 2 or TiO 2 , is used when the polycrystalline n-type semiconductor material is visible light such as blue light, eg When exposed to light having a wavelength of about 450 nm to 495 nm, volatile organic compounds such as acetone, ethanol, or isoprene are about 10 ° C. to about 50 ° C., about 10 ° C. to about 40 ° C., about 20 ° C. to about Detection can be at low temperatures such as 30 ° C., about 25 ° C. to about 30 ° C., or about room temperature.
図4Aはセンサシステム10のある実施形態を図示している。いくつかの実施形態において、センサ素子10の第1の電極14および第2の電極18は抵抗率モニター22に電気的に接続される。電極および/または半導体に密接な近接をした被検成分、例えばアセトンの存在は電極14および18の間の回路の抵抗を増大させ得、回路の測定された抵抗率の変化を提供すると考えられる。いくつかの実施形態においては、電極に密接な近接をして存在する被検成分、例えばアセトンの量と回路によって発揮される抵抗の変動との間の測定可能な相関が達成され得る。いくつかの実施形態において、抵抗率の変化は、検査されるサンプリング中に存在する被検成分の100パーツ・パー・ミリオン(ppm)あたり少なくとも約152メガオームであり得る。読み取りは、コンピュータ制御のマルチメータを用いて絶対抵抗値およびその変化を直接的に測定することによって得られる。
FIG. 4A illustrates one embodiment of the
図4Bは、大量のガス中の被検成分のガス、例えばアセトンの存在を検出するためのセンサシステム10の別の実施形態を図示している。装置は、評価されるべき大量のガスを含有するためのチャンバー5とその中に配置されたセンサ素子10とを含み得る。いくつかの実施形態において、チャンバー5はガスの流入9を許すガス入口11を含み得る。いくつかの実施形態において、チャンバー5はガスの流出を許すガス出口13を含み得る。いくつかの実施形態において、装置は、電源20とアセトンセンサ素子から受信されたデータを分析するための測定装置30とを含み得る。
FIG. 4B illustrates another embodiment of a
図7は、例11に記載されている体積ガス中のアセトンの存在を検出するためのアセトンセンサシステムの模式図を図示している。 FIG. 7 illustrates a schematic diagram of an acetone sensor system for detecting the presence of acetone in the volumetric gas described in Example 11.
図7Aは、被検成分のガスの存在を検出するためのセンサシステム100の別の実施形態を図示している。器具は、ガス試料を保持するためのチャンバーと、ガス試料を分析するためのセンサ装置10と、センサ装置10の近くの気流に影響するための気流妨害素子17とを含む。器具は、ガス試料をチャンバーに導入するためのガス入口11をもまた含み得る。いくつかの実施形態において、ガス入口11、第1の気流妨害素子17、およびセンサ装置10は、ガス入口11からセンサ装置10まで衝突せずに伝わるガス試料の量を実質的に減少させるように、共軸に配列され得る。センサ装置は、ガス試料中の揮発性有機化合物(VOC)の存在を検出するための固体センサであり得る。いくつかの実施形態において、器具100はガス出口13を含み得る。いくつかの実施形態において、ガス出口13は、ガス入口11からセンサ装置10まで流れるガス試料がガス出口13からの流出前に流れの方向を変化させなければならないように配置され得る。いくつかの実施形態において、図7Aに示されているように、ガス入口11、第1の気流妨害素子17、およびセンサ装置10は共軸であり得、ガス出口13およびその中に配置された第2の気流妨害素子19が前述のコンポーネントの軸に対して直角に(90°)向いて、チャンバーの壁に配置され得る。ガス入口11はセンサ装置10、気流妨害素子17、およびガス出口13と流体連通し得る。ガス出口13はガス入口11、センサ装置10、気流妨害素子17と流体連通し得る。
FIG. 7A illustrates another embodiment of a
実施形態は、記載されているアセトンセンサ素子を製造するための方法をもまた包含する。いくつかの実施形態において、当該方法は、n型半導体前駆体水溶液を作り出すステップと、予熱された機器中において溶液を加熱し、予熱された機器は水溶液の燃焼温度の実質的に近くまで予熱されているステップと、前駆体溶液を燃焼反応させるステップと、燃焼反応生成物を焼鈍するステップとを含む。 Embodiments also encompass a method for manufacturing the described acetone sensor element. In some embodiments, the method includes creating an aqueous n-type semiconductor precursor solution and heating the solution in the preheated equipment, where the preheated equipment is preheated to substantially close to the combustion temperature of the aqueous solution. And a step of subjecting the precursor solution to a combustion reaction and a step of annealing the combustion reaction product.
実施形態は、哺乳動物の呼気中のアセトンを特定するための方法をもまた包含し、式P1−xBの多結晶性n型半導体材料を含むセンサに哺乳動物呼気試料を暴露することと(ここで、Bはホウ素であり、0.0001<x≦0.10であり、半導体材料は600nm以下の吸収端を有する)、センサの抵抗率の変化を測定してアセトンの存在を特定することとを含む。 Embodiments also include a method for identifying acetone in mammalian breath, exposing a mammalian breath sample to a sensor comprising a polycrystalline n-type semiconductor material of formula P 1-x B; (Where B is boron, 0.0001 <x ≦ 0.10, the semiconductor material has an absorption edge of 600 nm or less), and the presence of acetone is determined by measuring the change in resistivity of the sensor Including.
実施形態は、センサ素子を作るための方法をもまた包含し、ホウ素をドープしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体を燃焼合成することと、互いにかみ合わされた、第1および第2の離隔された電極を有するセンサ素子を提供することと、前記の燃焼合成されたホウ素をドープしたイプシロンまたはガンマ相半導体を第1および第2の離間された電極の間に配置することとを含む。いくつかの実施形態において、当該方法は、燃焼合成された半導体材料のSSAを増大させることを含み得る。いくつかの実施形態において、SSAを増大させることは、燃焼合成された半導体材料をボールミル処理することによって達成され得る。いくつかの実施形態において、SAAは、燃焼合成された材料の分散液を超音波分解し、それから、減少したサイズの超音波分解された材料を選択的に分離することによって達成され得る。いくつかの実施形態において、ホウ素をドープしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体は、前述のメディアンサイズの記載を達成するために十分な時間および/または様式でボールミル処理され得る。いくつかの実施形態において、方法は、さらに、前述の範囲、例えば約0.4から約0.6μmのメディアンサイズまで半導体の径集団を減少させることを含む。いくつかの実施形態において、前述の範囲は、ホウ素をドープしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体を約1から約72時間、例えば約17時間の間ボールミル処理することによって達成される。いくつかの実施形態において、前述の範囲は、ホウ素をドープしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体を約500rpmから約5000rpm、例えば約1500RPMの間ボールミル処理することによって達成される。いくつかの実施形態において、前述の範囲は、ホウ素をドープしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体を約500rpmから約5000rpm、約1500RPMの間、約5から約25時間の間、例えば約17時間ボールミル処理することによって達成される。いくつかの実施形態において、当該方法は、さらに、ホウ素をドープしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体に第1のボール径集団を加えることを含む。いくつかの実施形態において、ボールミル処理に用いられるボールはAl2O3および/またはZrO2であり得る。いくつかの実施形態において、ZrO2ボールは複数の径集団を含み得る。いくつかの実施形態において、複数の径集団は約3mmのZrO2の第1の集団および約5mmのZrO2の第2の集団を含み得る。 Embodiments also include a method for making a sensor element, comprising first and second spaced apart electrodes interdigitated with combustion synthesis of boron-doped epsilon or gamma phase WO 3 semiconductor And providing a combustion synthesized boron doped epsilon or gamma phase semiconductor between the first and second spaced apart electrodes. In some embodiments, the method may include increasing the SSA of the combustion synthesized semiconductor material. In some embodiments, increasing SSA can be accomplished by ball milling the combustion synthesized semiconductor material. In some embodiments, SAA can be achieved by sonicating a dispersion of combustion synthesized material and then selectively separating the reduced size sonicated material. In some embodiments, boron-doped epsilon or gamma phase WO 3 semiconductor can be ball milled in a time and / or manner sufficient to achieve the median size description described above. In some embodiments, the method further includes reducing the semiconductor diameter population to the aforementioned range, eg, a median size of about 0.4 to about 0.6 μm. In some embodiments, the foregoing ranges are achieved by ball milling boron-doped epsilon or gamma phase WO 3 semiconductor for about 1 to about 72 hours, for example about 17 hours. In some embodiments, the aforementioned range is achieved by ball milling boron-doped epsilon or gamma phase WO 3 semiconductor between about 500 rpm and about 5000 rpm, eg, about 1500 RPM. In some embodiments, the aforementioned ranges include ball milling boron-doped epsilon or gamma phase WO 3 semiconductor between about 500 rpm to about 5000 rpm, between about 1500 RPM, between about 5 to about 25 hours, such as about 17 hours. Is achieved by doing In some embodiments, the method further comprises adding a first ball diameter population to the boron-doped epsilon or gamma phase WO 3 semiconductor. In some embodiments, the balls used for ball milling can be Al 2 O 3 and / or ZrO 2 . In some embodiments, the ZrO 2 ball may include multiple diameter populations. In some embodiments, the plurality of diameter populations may include a first population of about 3 mm ZrO 2 and a second population of about 5 mm ZrO 2 .
本明細書に記載されている実施形態が、他のセンサの実施形態と比較して改善された作動環境パラメータおよび/またはアセトンに対する感度を有するということが発見された。これらの利点は次の例によってさらに示され、それらは本開示の実施形態を例示することを意図されているが、範囲または基本的な原理を限定することは全く意図されていない。 It has been discovered that the embodiments described herein have improved operating environment parameters and / or sensitivity to acetone compared to other sensor embodiments. These advantages are further illustrated by the following examples, which are intended to illustrate embodiments of the present disclosure, but are not intended to limit the scope or basic principles in any way.
センサ材料の開発およびキャラクタリゼーション
例1.ホウ素をドープしたイプシロン相WO3の作製
メタタングステン酸アンモニウム水和物(5g)、ホウ酸(100mg)、カルボヒドラジド(燃料)(2g)、および硝酸アンモニウム(酸化剤)(10g)を、脱イオン(DI)水の50ml中に溶解した。それから、水溶液を約420℃に予熱されたマッフル炉内に置き、それから約20分、または材料の燃焼が実質的に完了するまで加熱した。試料材料の燃焼が完了した後で、生成物を空気中で約420℃においてさらに約20分焼鈍した。粉末の物体色は橙黄色に見え、ホウ素をドープしたWO3は標準イプシロンWO3のX線回折による粉末XRDパターン(図5)との比較によって確認された(ICFFのPDFカード番号01−087−2404)。もたらされた材料の走査電子顕微鏡写真が図12Aに示されている。
Example of sensor material development and characterization Preparation of boron-doped epsilon phase WO 3 Ammonium metatungstate hydrate (5 g), boric acid (100 mg), carbohydrazide (fuel) (2 g), and ammonium nitrate (oxidant) (10 g) were deionized ( DI) dissolved in 50 ml of water. The aqueous solution was then placed in a muffle furnace preheated to about 420 ° C. and then heated for about 20 minutes or until material burning was substantially complete. After the sample material was combusted, the product was annealed in air at about 420 ° C. for an additional about 20 minutes. The object color of the powder appeared orange-yellow, and the boron-doped WO 3 was confirmed by comparison with the powder XRD pattern (FIG. 5) by X-ray diffraction of standard epsilon WO 3 (ICFF PDF card number 01-087- 2404). A scanning electron micrograph of the resulting material is shown in FIG. 12A.
BをドープしたWO3粒子の3つの0.05g試料をICP−MSによって分析して、種々の元素の含有量を特定した。各試料を1mL硝酸および3mL塩酸と混合し、それから約110℃で約1時間加熱した。冷却後に、内部標準溶液の十分量(例えば、Bおよび/またはBをドープしたWO3による)を加えて溶解試料の溶液を希釈し、ICP−MS分析のための約100g試料アリコートにした。それから、試料アリコートにScおよびInの既知濃度をスパイクした。それから、一般的な標準元素、ブランク、および試料溶液をアジレント7500cx誘導結合プラズマ質量分析計(ICP−MP)に導入した。試料溶液中のおよそそれぞれの元素の濃度を定量的に特定し、下の表3Aに示した。 Three 0.05 g samples of B-doped WO 3 particles were analyzed by ICP-MS to identify the content of various elements. Each sample was mixed with 1 mL nitric acid and 3 mL hydrochloric acid and then heated at about 110 ° C. for about 1 hour. After cooling, a sufficient amount of internal standard solution (eg, according to B3 and / or B doped WO 3 ) was added to dilute the solution of the dissolved sample into an approximately 100 g sample aliquot for ICP-MS analysis. Sample aliquots were then spiked with known concentrations of Sc and In. The common standard elements, blanks, and sample solutions were then introduced into an Agilent 7500 cx inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MP). The concentration of approximately each element in the sample solution was quantitatively identified and shown in Table 3A below.
例2〜10
例2〜10を例1に類似の様式で作製した。ただし、ホウ酸(「B」)、カルボヒドラジド(「C」)、および/または硝酸アンモニウム(「D」)の量を下の表4に記載されているように変えた。
Examples 2-10
Examples 2-10 were made in a manner similar to Example 1. However, the amounts of boric acid (“B”), carbohydrazide (“C”), and / or ammonium nitrate (“D”) were varied as described in Table 4 below.
例11〜13
例11.ホウ素をドープしたイプシロンWO3の貴金属の担持
上に記載されている様式で作製された例1の1gと[Pt(NH3)4](NO3)2の17.12mgとを10mL蒸留水中に置き、40mLの密閉バイアルの反応器内において約90℃で約2時間撹拌した。それから、密閉バイアルを室温水道水中において冷やし、メンブレンフィルタ(0.05μm孔径)によって濾過し、DI水によって少なくとも3回洗浄し、最後に約110℃で一晩乾燥し(約15時間)、1wt%Ptを担持されたイプシロン相WO3の約45mgを得た。
Examples 11-13
Example 11 Boron doped epsilon WO 3 noble metal support 1 g of Example 1 made in the manner described above and 17.12 mg of [Pt (NH 3 ) 4] (NO 3 ) 2 in 10 mL distilled water. And stirred at about 90 ° C. for about 2 hours in a 40 mL sealed vial reactor. The sealed vial is then cooled in room temperature tap water, filtered through a membrane filter (0.05 μm pore size), washed at least three times with DI water, and finally dried at about 110 ° C. overnight (about 15 hours), 1 wt% About 45 mg of epsilon phase WO 3 loaded with Pt was obtained.
例12、13、および14を例11(1%Pt−ε−WO3)に類似の様式で作製した。ただし、例12ではガンマ相WO3(シグマ・アルドリッチ、セントルイス、MO、USA)の1gをイプシロン相WO3の代わりに用い(1%Pt−γ[ガンマ]−WO3)、例13ではホウ素(B)なしのガンマWO3の1gを1%Pt−イプシロン相WO3の代わりに用い、例14ではガンマ相WO3の13gおよびCeO2の8gの物理的混合物を作製し、この物理的混合物の1gを1%Pt−イプシロン相WO3の1gの代わりに用いた。 Examples 12, 13, and 14 were made in a manner similar to Example 11 (1% Pt-ε-WO 3 ). However, in Example 12, 1 g of gamma phase WO 3 (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA) was used instead of epsilon phase WO 3 (1% Pt-γ [gamma] -WO 3 ), and in Example 13, boron ( B) 1 g of gamma WO 3 without was used in place of 1% Pt-epsilon phase WO 3 and in Example 14 a physical mixture of 13 g of gamma phase WO 3 and 8 g of CeO 2 was prepared. 1g was used instead of 1g of 1% Pt-epsilon phase WO 3.
例14
例14A.ボールミル処理されたスラリー
例1において上記のように作製された2.00gのWO3/0.05%のBとメタノールの15.00mlとを、溶剤系スラリー調製のために高純度アルミナジャーに加え、それから、混合物が液状様に見えるまでミルジャーの内容物を手動で撹拌した。それから、3mm直径のZrO2ミル材の20gおよび5mm直径のZrO2ミル材の4gをアルミナジャーに加え、ミルジャー中の混合物をベンチトップ遊星ボールミル(MTIコーポレーション、リッチモンド、CA)によって約1500rpmで室温において約17時間ミル処理した。それから、もたらされた混合物を空気中において約110℃で約2時間乾燥した。得られたボールミル処理されたスラリーの実施形態の走査電子顕微鏡写真を図12Bに示す。
Example 14
Example 14A. Ball milled slurry 2.00 g of WO 3 /0.05% B and 15.00 ml of methanol prepared as described above in Example 1 are added to a high purity alumina jar for solvent based slurry preparation. The contents of the mill jar were then manually stirred until the mixture appeared liquid. Then, the 4g of ZrO 2 mil material 20g and 5mm diameter ZrO 2 mil material 3mm in diameter was added to an alumina jar, the mixture benchtop planetary ball mill in the mill jar (MTI Corporation, Richmond, CA) at room temperature for about 1500rpm by Milled for about 17 hours. The resulting mixture was then dried in air at about 110 ° C. for about 2 hours. A scanning electron micrograph of an embodiment of the resulting ball milled slurry is shown in FIG. 12B.
例14B
別の例においては、上記のように作製された2.00gのWO3/0.19wt%のBを2.00gのWO3/0.05%のBの代わりに用いた。
Example 14B
In another example, 2.00 g WO 3 /0.19 wt% B made as described above was used in place of 2.00 g WO 3 /0.05% B.
例14C.粒子径分析
ボールミル処理される前および後の粒子径分布を、HoribaのLA−300粒子径分布アナライザ(Horibaサイエンティフィク、エジソン、NJ、USA)によって得た。
Example 14C. Particle Size Analysis Particle size distributions before and after ball milling were obtained with a Horiba LA-300 particle size distribution analyzer (Horiba Scientific, Edison, NJ, USA).
水性ピロリン酸ナトリウム十水和物(SPD)の2gを逆浸透水(ROH2O)の約2L中に溶解して、SPD溶液(0.1wt%ピロリン酸ナトリウム十水和物)を作製した。 2 g of aqueous sodium pyrophosphate decahydrate (SPD) was dissolved in about 2 L of reverse osmosis water (ROH 2 O) to make an SPD solution (0.1 wt% sodium pyrophosphate decahydrate).
クリーニングのために、追加のROH2Oの2LをHoribaのLA−300試料チャンバーに循環させて1分間超音波分解した(「De−bubble」オン)。循環および超音波分解したROH2Oを試料チャンバーから排水し、チャンバーにSPD溶液を再充填した(Horibaの設定は循環「8」および「De−bubble」)。機械をブランク調整し(設定は「Init.Alignment」、「Alignment」、「Blank」)、繰り返してブランクの総透過パーセント(T%)がT%=100%であるということを保証した。 For cleaning, 2 L of additional ROH 2 O was circulated through Horiba's LA-300 sample chamber and sonicated for 1 minute (“De-bubble” on). Circulated and sonicated ROH 2 O was drained from the sample chamber and the chamber was refilled with SPD solution (Horiba settings were circulation “8” and “De-bubble”). The machine was blank adjusted (settings are “Init.Alignment”, “Alignment”, “Blank”) and repeated to ensure that the total transmission percent (T%) of the blank was T% = 100%.
ボールミル処理された0.19wt%のBをドープしたWO3(上の例12B[SE−1BM]に記載されているように作られた)の約xgの初期量をSPD溶液の約25ml中に移し、良く混合した(約5分間)。T%が約75%から80%に落ちるまで、SE−1BM混合物を試料チャンバーに担持した。かかるT%に達したときに、循環「8」、10分間の超音波分解、10分の超音波分解中に「De−bubble」、および約1.654(Rpowder/Rsolvent=粉末の屈折率/溶剤の屈折率=WO3/H2O=2.22/1.33=1.654)の「R.R.Index」(溶剤の屈折率」)の設定を選択し、粒子径分布を得た(図13参照)。ボールミル処理されていない試料(SE−3)の粒子径分布は、上に記載されている同じ様式で調製した。ただし、SE−3材料を、ボールミル処理された0.19wt%のBをドープしたWO3(SE−1BM)の代わりに用いた。結果は図13に図示されている。 An initial amount of about xg of ball milled 0.19 wt% B doped WO 3 (made as described in Example 12B [SE-1BM] above) is added in about 25 ml of SPD solution. Transfer and mix well (about 5 minutes). The SE-1BM mixture was loaded into the sample chamber until the T% dropped from about 75% to 80%. When such T% is reached, circulation “8”, 10 minutes sonication, “De-bubble” during 10 minutes sonication, and about 1.654 (R powder / R solvent = refractive of powder Ratio / solvent refractive index = WO 3 / H 2 O = 2.22 / 1.33 = 1.654) “RR Index” (solvent refractive index)) setting, particle size distribution Was obtained (see FIG. 13). The particle size distribution of the non-ball milled sample (SE-3) was prepared in the same manner as described above. However, the SE-3 material was used instead of the ball milled 0.13 wt% B doped WO 3 (SE-1BM). The result is illustrated in FIG.
粒子の直径サイズの減少および/または変移が図13に示されている。ボールミル処理なしのWO3/0.05%B粒子のメディアン直径は約13.7233μmであり、一方、上記のボールミル処理ありのWO3/0.05%B粒子のメディアン直径は約0.5086μmであった。 The particle diameter size reduction and / or transition is illustrated in FIG. The median diameter of WO 3 /0.05% B particles without ball milling is about 13.7233 μm, while the median diameter of the above WO 3 /0.05% B particles with ball milling is about 0.5086 μm. there were.
例15:センサ製作及びセンサ材料のドロップコート
例15A:ボールミル処理なし
上で調製した白金を担持されたε相酸化タングステンの約9mgをイソプロピルアルコール(IPA)(0.4ml)と混合し、60分間超音波分解した。分散液の約10個の10μlアリコートを超音波分解された分散液の表面のすぐ下から分離し、それから、約120℃の表面温度を有するセンサ素子(0.1×0.1インチ電極、Al2O3基板、10mil厚、電極材料Au、電極間隔1mil、指幅4mil、指長さ0.1インチ、3電極対を有する、P/N614、Synkeraテクノロジーズ、コロラド、USA)上に滴下し、各追加の滴下の間に乾燥した。それから、ドロップコートしたセンサ(SE−1)を300W出力電力のフルスペクトルキセノンランプの下において約120℃で約60分間ベーキングした。
Example 15: Sensor Fabrication and Sensor Material Drop Coating Example 15A: No Ball Mill Treatment About 9 mg of platinum supported ε-phase tungsten oxide prepared above was mixed with isopropyl alcohol (IPA) (0.4 ml) for 60 minutes. Sonicated. About 10 10 μl aliquots of the dispersion are separated from just below the surface of the sonicated dispersion and then a sensor element having a surface temperature of about 120 ° C. (0.1 × 0.1 inch electrode, Al 2 O 3 substrate, 10 mil thickness, electrode material Au, electrode spacing 1 mil,
ドロップコートしたセンサ2(SE−2)、3(SE−3)、4(SE−4)、および5(SE−5)を、上に記載されているものと同じ様式で組み立てた。ただし、IPA中に分散される材料は下の表5に示されている通りであった。 Drop-coated sensors 2 (SE-2), 3 (SE-3), 4 (SE-4), and 5 (SE-5) were assembled in the same manner as described above. However, the materials dispersed in IPA were as shown in Table 5 below.
1wt%の割合のPtを担持されたε−WO3(SE−3)のSEM写真が図6に示されている。 An SEM photograph of ε-WO 3 (SE-3) loaded with 1 wt% Pt is shown in FIG.
例15B:ボールミル処理ありのセンサ製作
上で調製されたボールミル処理された酸化タングステンの約10mgをメタノール(1.0ml)と混合し、60分間超音波分解した。分散液の約7つの10μlアリコートを、約120℃の表面温度を有するセンサ素子(0.1×0.1インチ電極、Al2O3基板、10mil厚、電極材料Au、電極間隔4mil、指幅4mil、指長さ0.1インチ、3電極対を有する、P/N614、Synkeraテクノロジーズ)上に滴下し、各追加の滴下の間に乾燥した。それから、ドロップコートしたセンサ(SE−1BM)を300W出力電力のフルスペクトルキセノンランプの下において約120℃で約60分間ベーキングした。
Example 15B: Sensor fabrication with ball milling Approximately 10 mg of the ball milled tungsten oxide prepared above was mixed with methanol (1.0 ml) and sonicated for 60 minutes. About seven 10 μl aliquots of the dispersion were applied to a sensor element having a surface temperature of about 120 ° C. (0.1 × 0.1 inch electrode, Al 2 O 3 substrate, 10 mil thickness, electrode material Au, electrode spacing 4 mil,
例16:アセトンセンサの評価
上の例に記載されているように組み立てられたセンサ素子3(SE−3)を約850mLの体積を有する金属チャンバー内に置き、センサ電極をマルチメータ(テクトロニクスDMM4050、6.1/2桁高精度マルチメータ、テクトロニクスInc.、ビーバートン、OR、USA)に接続し、抵抗率(オーム)を約40mΩにおいて測定するように設定し、周囲大気条件下の完全暗室内に置いた。図7参照。それから、センサ電極を約350℃の作動温度に暴露した。約90%の相対湿度を有するアセトン不含空気(圧縮合成空気[CAS132259−10−0]、エアガスLLC、サンマルコス、CA、USA)を容器内に約1ml/分で約10分間放出し、かつ(チャンバーの加圧を最小化するように)同じ速度でチャンバーから抜き、抵抗率ベースラインの読み取りを記録した。それから、1ppmアセトン/空気ガス(A−030−1090−100PNA圧縮1ppmアセトン/合成空気、MesaスペシャルティーGases&Equipment、ロングビーチ、CA、USA)を容器内にさまざまな時間、例えば60sec、約30sec、約10sec、約5sec放出し、センサ素子の抵抗率を記録した。チャンバー内のガス環境は、質量分光光度計に取り付けられたガスクロマトグラファー(アジレントガスクロマトグラフモデル7890A、アジレント質量分光光度計モデル240)によって判定した。結果は図9に示されている。図9は、センサ作動温度が約350℃であるときに、センサ素子が空気中の約1ppmのアセトンに対する感度を発揮したということを示している。
Example 16: Evaluation of acetone sensor Sensor element 3 (SE-3) assembled as described in the above example is placed in a metal chamber having a volume of about 850 mL and the sensor electrode is placed on a multimeter (
例17:アセトンセンサの評価
センサ素子5および4を上の例16に記載されているように組み立て、また、直上に記載されているように試験した。ただし、センサは約室温に維持し、センサは、青色光を発光する発光ダイオードのアレイに暴露し、BLEDは約455nm波長、約35〜40mW/cm2で発光した。結果は表6に提供されている。
Example 17: Evaluation of acetone
図8は、センサ作動温度が室温であるときに、センサ素子が空気中の約100ppmのアセトンに対する感度を発揮したということを示している。 FIG. 8 shows that the sensor element was sensitive to about 100 ppm of acetone in the air when the sensor operating temperature was room temperature.
例18:アセトンセンサの評価
SE−1BMを上記の例のように組み立て、また、上記の図7のものと類似の様式で試験した。この例においては、直上に記載されている850ml金属チャンバーの代わりに、それが開示する全てが参照によって本明細書に組み込まれる2014年10月16日の米国仮出願62/064,680に記載されているT字管型検査チャンバー(TC−1)を用いた。TC−1は、2.6cmの内側直径を有する7.62cm長(ポリカーボネート)管から構築した。検査チャンバーは1cmの内側直径を有するガス出口を有し、器具チャンバーとの直角なt字型接合を形成し、ガス出口の中心はセンサ装置と整列させた。ガス出口の中心およびセンサ装置(ヒータ回路を有するSyntek614チップ上に組み立てられた例1のセンサ)は器具の端から3.81cmに設けられた。器具チャンバーは、頂部からおよそ4.3cmの底部端において、ガス出口穴のすぐ下で密封した。器具は、円周1cmであるガス入口を器具の頂部端の中心に有した。器具は、ガス出口管を充填する気流減少素子として振る舞うワイヤーメッシュスクリーンをもまた有した。気流減少素子は高耐食型316ステンレス鋼ワイヤークロスディスクであり、0.01インチのワイヤー直径、40×40のメッシュサイズ、0.015インチの目開きサイズを有し、約36%の開口面積を作り出した(McMaster−Carr−2930T43、McMaster−Carr、ロサンゼルス、CA、USA)。図7Aは上記の検査チャンバーを示している。気流妨害素子を4つの係留ワイヤーによって器具中に懸架し、スクリーンを固定した。気流妨害素子は直径1.5cmであり、器具のチャンバー内においてセンサ装置の表面よりも1cm上に設けられ、検査チャンバー管と同心であった。ワイヤーメッシュスクリーンは高耐食型316ステンレス鋼ワイヤークロスディスク(McMaster−Carr−2930T63、McMaster−Carr)であり、0.0045インチのワイヤー直径、100×100のメッシュサイズ、0.0055インチの目開きサイズを有し、約30%の開口面積を作り出した。
Example 18: Evaluation of acetone sensor SE-1BM was assembled as in the above example and tested in a manner similar to that of Figure 7 above. In this example, instead of the 850 ml metal chamber described immediately above, it is described in US Provisional Application 62 / 064,680, Oct. 16, 2014, all of which it discloses is incorporated herein by reference. The T-shaped inspection chamber (TC-1) is used. TC-1 was constructed from a 7.62 cm long (polycarbonate) tube with an inner diameter of 2.6 cm. The inspection chamber had a gas outlet with an inner diameter of 1 cm, formed a right-angle t-shaped junction with the instrument chamber, and the center of the gas outlet was aligned with the sensor device. The center of the gas outlet and the sensor device (example 1 sensor assembled on Syntek 614 chip with heater circuit) was provided 3.81 cm from the end of the instrument. The instrument chamber was sealed just below the gas outlet hole at the bottom edge approximately 4.3 cm from the top. The instrument had a gas inlet with a circumference of 1 cm in the center of the top end of the instrument. The instrument also had a wire mesh screen that acted as an airflow reducing element filling the gas outlet tube. The airflow reducing element is a high corrosion resistance type 316 stainless steel wire cloth disc, having a wire diameter of 0.01 inches, a mesh size of 40 × 40, an opening size of 0.015 inches, and an open area of about 36%. (McMaster-Carr-2930T43, McMaster-Carr, Los Angeles, CA, USA). FIG. 7A shows the above-described inspection chamber. The airflow obstructing element was suspended in the instrument by four mooring wires and the screen was fixed. The airflow obstructing element was 1.5 cm in diameter, was provided 1 cm above the surface of the sensor device in the instrument chamber, and was concentric with the test chamber tube. The wire mesh screen is a high corrosion resistant 316 stainless steel wire cloth disc (McMaster-Carr-2930T63, McMaster-Carr), 0.0045 inch wire diameter, 100 × 100 mesh size, 0.0055 inch mesh size And created an open area of about 30%.
上記の例のように組み立てられたセンサ素子3(ヒータ回路基板Synkera−P/N614による)を、上に記載されているT字型チャンバー内に置き、センサ電極をマルチメータ(テクトロニクスDMM4050、6.1/2桁高精度マルチメータ、テクトロニクスInc.)に接続し、抵抗率(オーム)を約40mΩにおいて周囲大気条件下で測定するように設定した。図7参照。それから、センサ電極ヒータ回路(614)を、Gw・InstekのPST−3202の電源を用いて約0.156ampの駆動電流によって5.6ボルトに暴露して、センサ本体を約72時間加熱した。測定中には、5.2ボルトの電圧および0.153ampであって、センサ本体を約300℃に加熱した。約90%の相対湿度を有するアセトン不含空気(圧縮合成空気[CAS132259−10−0]、エアガスLLC、サンマルコス、CA、USA)を容器内に約1ml/分で約5分間放出し、かつ(チャンバーの加圧を最小化するように)同じ速度でチャンバーから抜き、抵抗率ベースラインの読み取りを記録した。それから、約10ppmアセトン/空気ガス(A−030−1090−100PNA圧縮1ppmアセトン/合成空気、MesaスペシャルティーGases&Equipment)のパルスを容器内に約1リットル/分で約5分間放出し、センサ素子の抵抗率を記録した。アセトン不含/合成空気パルス、続いて1ppm試料アセトンパルスを、2回繰り返した。それから、アセトン不含パルス、続いて15ml、2.5ml、1ml/分のアセトン試料パルスを、それぞれの介在的なアセトン不含の離間用パルスとともにセンサシステムに与えた。結果は図10に提供されている。図10から引き出されたアセトン濃度の関数としてのセンサの応答が図11に示されている。
The sensor element 3 (according to the heater circuit board Syncera-P / N614) assembled as in the above example is placed in the T-shaped chamber described above, and the sensor electrode is a multimeter (
例18A
上記のように組み立てられたセンサ素子1(ヒータ回路基板Synkera−P/N614による)を上に記載されているT字型チャンバー内に置き、センサをマルチメータ(テクトロニクスDMM4050、6.1/2桁高精度マルチメータ、テクトロニクスInc.、ビーバートン、OR、USA)に接続し、抵抗率(オーム)を約40kΩにおいて周囲大気下かつ暗条件で測定するように設定した。センサは、3.8ボルトの電圧および0.137ampの電流を白金抵抗ヒータに印加することによって約195℃に加熱した。90%より高い相対湿度を有するアセトン不含空気(圧縮合成空気[CAS132259−10−0]、エアガスLLC、サンマルコス、CA、USA)をT字型管の容器内に約1.5リットル/分で放出して、センサの抵抗率のベースライン(インターバル3,050から約3,100に対応して抵抗プロファイル中の明らかなプラトーが約42,000オームにある、図15の抵抗率プロファイルの第1の部分を参照)を約300秒間確立した。それから、1.5L/分の気流と同時に、15.1ppmアセトン/合成空気混合物を約110mL/分でシステム内に通し、抵抗率変化を195℃の温度において約150秒間モニターした。それから、アセトンの流れを閉じてセンサの抵抗率のベースラインを再確立し、アセトン不含合成空気を約300秒間フラッシュした(約インターバル3,150から約3,250において、図15に見られる約15,000オームから約39,000オームへの抵抗率の復帰)。それから、エタノールガス(99.4ppmアセトン/合成空気混合物、10mL/分の流量)を前述の1.5L/分の合成空気の流れと混合して、抵抗率変化を195℃の温度において約150秒間観察した。エタノールの流れを再び閉じてセンサの抵抗率のベースラインを再確立し、エタノール不含合成空気を約300秒間フラッシュした(約インターバル3,300から3,350において、図15に見られる約35,000オームから約39,000オームへの抵抗率の復帰)。それからイソプレンガス(100.9ppmイソプレン/合成空気混合物、10mL/分の流量)をイソプレン不含合成空気(1.5L/分)と混合して、抵抗率変化を195℃の温度において約150秒間観察した。それから、イソプレンの流れを再び閉じて、センサの抵抗率のベースラインを安定化させた(約インターバル3,500における約15,000オームから約37,500への抵抗率の復帰)。
Example 18A
The sensor element 1 (as per the heater circuit board Syncera-P / N614) assembled as described above is placed in the T-shaped chamber described above, and the sensor is a multimeter (Tektronix DMM4050, 6.1 / 2 digit). Connected to a high-precision multimeter, Tektronix Inc., Beaverton, OR, USA), the resistivity (ohms) was set to measure in ambient atmosphere and dark conditions at about 40 kΩ. The sensor was heated to about 195 ° C. by applying a voltage of 3.8 volts and a current of 0.137 amp to the platinum resistance heater. Acetone-free air (compressed synthetic air [CAS132259-10-0], air gas LLC, San Marcos, CA, USA) having a relative humidity higher than 90% is placed in a T-shaped tube container at about 1.5 l / min. , The baseline of the resistivity of the sensor (the apparent plateau in the resistance profile is about 42,000 ohms corresponding to the interval of 3,050 to about 3,100, the first of the resistivity profiles of FIG. 1) was established for about 300 seconds. A 15.1 ppm acetone / synthetic air mixture was then passed through the system at about 110 mL / min simultaneously with an air flow of 1.5 L / min and the resistivity change was monitored at a temperature of 195 ° C. for about 150 seconds. The acetone flow was then closed to re-establish the sensor resistivity baseline, and the acetone-free synthetic air was flushed for about 300 seconds (at about intervals 3,150 to about 3,250, about Reversion of resistivity from 15,000 ohms to about 39,000 ohms). Then, ethanol gas (99.4 ppm acetone / synthetic air mixture, 10 mL / min flow rate) is mixed with the aforementioned 1.5 L / min synthetic air flow to allow the resistivity change to occur at a temperature of 195 ° C. for about 150 seconds. Observed. The ethanol flow was closed again to re-establish the sensor resistivity baseline, and the ethanol-free synthetic air was flushed for about 300 seconds (about 35, 3-5, as seen in FIG. Resistivity from 000 ohms to about 39,000 ohms). Then, isoprene gas (100.9 ppm isoprene / synthetic air mixture, 10 mL / min flow rate) is mixed with isoprene-free synthetic air (1.5 L / min) and the change in resistivity is observed at a temperature of 195 ° C. for about 150 seconds. did. The isoprene flow was then closed again to stabilize the sensor's resistivity baseline (recovery of resistivity from about 15,000 ohms to about 37,500 at about interval 3,500).
例19〜27
例19から例27を、上の例18Aに記載されているものと類似の様式で試験した。ただし、センサ装置は、下の表7に示されているさまざまな電圧および電流を印可することによってさまざまな温度に加熱した。
Examples 19-27
Examples 19 to 27 were tested in a manner similar to that described in Example 18A above. However, the sensor device was heated to various temperatures by applying various voltages and currents as shown in Table 7 below.
図14は、センサ素子がエタノールおよびイソプレンについては比較的一定の感度を発揮し、一方、アセトンについては、200℃の場合と比較して、高い温度、例えば300℃以上において、より高い感度(より高いRair/Rgas)を発揮したということを示している。 FIG. 14 shows that the sensor element exhibits a relatively constant sensitivity for ethanol and isoprene, while for acetone, the higher sensitivity (higher than 300 ° C., for example, at 300 ° C. or higher). It shows that high R air / R gas was exhibited.
実施形態
次の実施形態が企図される。
実施形態1. 約1から約10milのギャップによって離間される第1の電極および第2の電極と、
前記第1の電極および前記第2の電極の両方と物理的に接触する多結晶性n型半導体材料と、を含むガスセンサ素子。
実施形態2. 前記多結晶性n型半導体が式P1−xBによって表され、Pはn型半導体材料であり、Bはホウ素であり、xは約0.0001よりも大きく、約0.10よりも大きくはない、実施形態1などの本明細書のいずれかの実施形態のガスセンサ。
実施形態3. 前記半導体材料が600nm以下の吸収端を有する、実施形態1または2などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ。
実施形態4. 前記多結晶性n型半導体材料がイプシロン相WO3を含む、実施形態1、2、または3などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ素子。
実施形態5. 前記イプシロン相WO3にホウ素がドープされている、実施形態4などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ素子。
実施形態6. 前記ホウ素が前記多結晶性n型半導体の重量に対して約0.001%から約1%で存在する、実施形態5などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ素子。
実施形態7. 前記多結晶性n型半導体材料が燃焼合成されている、実施形態1、2、3、4、5、または6などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ素子。
実施形態8. 前記多結晶性n型半導体が約190℃から約360℃の温度にある、実施形態1、2、3、4、5、6、または7などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ素子。
実施形態9. 前記多結晶性n型半導体材料がガンマ相WO3を含む、実施形態1、2、3、4、5、6、7、または8などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ素子。
実施形態10. さらに共触媒を含む、実施形態 1、2、3、4、5、6、7、8、または9などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ素子。
実施形態11. 前記共触媒が貴金属である、実施形態10などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ素子。
実施形態12. 前記貴金属がパラジウム、金、白金、またはイリジウムである、実施形態12などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ素子。
実施形態13. 前記共触媒がCeO2またはTiO2である、実施形態10などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ素子。
実施形態14. 前記共触媒がCeO2である、実施形態13などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ素子。
実施形態15. 前記多結晶性n型半導体材料が青色光に暴露される、実施形態1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、または14などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ素子。
実施形態16. 前記多結晶性n型半導体材料が約10℃から約40℃の温度にある、実施形態1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、または15などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ素子。
実施形態17. 前記半導体材料と前記共触媒との比が約40〜60モル%の前記半導体材料に対して約60〜40%の前記共触媒である、実施形態10、11、12、13、14、15、または16などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ素子。
実施形態18. 前記共触媒が遷移金属酸化物(p型)である、実施形態10、15、16、または17などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ素子。
実施形態19. 前記遷移金属酸化物がCo、Mn、Ni、またはCu酸化物(p型)である、実施形態18などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ素子。
実施形態20. 前記多結晶性n型半導体材料がボールミル処理されている、実施形態1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、または19などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ素子。
実施形態21. 対象の呼気中のアセトンを特定するための方法であって、実施形態1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、または20などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態のガスセンサ素子を含むガスセンサに哺乳動物呼気試料を暴露することを含み、アセトンの存在がセンサの抵抗率の変化によって検出される方法。
実施形態22. 前記ガスセンサが約10℃から約50℃において作動し、前記ガスセンサ素子が青色光に暴露される、実施形態21などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態の方法。
実施形態23. 前記ガスセンサの作動温度が約190℃から約360℃である、実施形態21などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態の方法。
実施形態24. 前記センサが青色光に暴露されない、実施形態21または23などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態の方法。
実施形態25. 前記ガスセンサが約280℃から約360℃で作動され、前記ガスセンサがアセトンよりもイソプレンに対して高感度である、実施形態23または24などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態の方法。
実施形態26. 前記ガスセンサが約180℃から約240℃で作動され、前記ガスセンサがイソプレンよりもアセトンに対して高感度である、実施形態21または23などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態の方法。
実施形態27. センサ素子を作るための方法であって、ホウ素をドープしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体を燃焼合成することと、互いにかみ合わされた、第1および第2の離隔された電極を有するセンサ素子を提供することと、前記の燃焼合成されたホウ素をドープしたイプシロンまたはガンマ相半導体を前記第1および第2の離間された電極の間に配置することとを含む。
実施形態28. さらに、前記のホウ素をドープしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体を約5から約25時間の間ボールミル処理することによって、合成されたホウ素をドープしたイプシロンまたはガンマ相半導体の比表面積を10m2/g超まで増大させることを含む、実施形態27などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態の方法。
実施形態29. 前記のホウ素をドープしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体のブルナウアー−エメット−テラー(BET)を増大させることが、前記のホウ素をドープしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体を約1時間から約72時間の間ボールミル処理することを含む、実施形態27または28などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態の方法。
実施形態30. 前記のホウ素をドープしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体のBETを増大させることが、前記第1および第2の電極の間への配置の前に、前記のホウ素をドープしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体を超音波分解することを含む、実施形態27、28、または29などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態の方法。
実施形態31. 前記のホウ素をドープしたイプシロンまたはガンマ相WO3半導体に金属酸化物を加えることをさらに含む、実施形態27、28、29、または30などの本明細書のいずれかのしかるべき実施形態の方法。
Embodiments The following embodiments are contemplated.
A gas sensor element comprising: a polycrystalline n-type semiconductor material in physical contact with both the first electrode and the second electrode.
Embodiment 2. FIG. The polycrystalline n-type semiconductor is represented by the formula P 1-x B, where P is an n-type semiconductor material, B is boron, x is greater than about 0.0001 and greater than about 0.10. The gas sensor of any of the embodiments herein, such as
Embodiment 9. FIG. The gas sensor element of any suitable embodiment herein, such as
Embodiment 21. FIG. A method for identifying acetone in a subject's breath, comprising:
Embodiment 23. FIG. The method of any suitable embodiment herein, such as embodiment 21, wherein the operating temperature of the gas sensor is from about 190 ° C to about 360 ° C.
Embodiment 24. FIG. The method of any suitable embodiment herein, such as embodiment 21 or 23, wherein the sensor is not exposed to blue light.
Embodiment 25. FIG. The method of any suitable embodiment herein, such as embodiment 23 or 24, wherein the gas sensor is operated at about 280 ° C. to about 360 ° C. and the gas sensor is more sensitive to isoprene than acetone.
Embodiment 27. FIG. A method for making a sensor element, comprising: combusting and synthesizing boron-doped epsilon or gamma phase WO 3 semiconductor; and a sensor element having first and second spaced apart electrodes interdigitated. And placing the combustion synthesized boron doped epsilon or gamma phase semiconductor between the first and second spaced apart electrodes.
Embodiment 28. FIG. Further, the boron-doped epsilon or gamma-phase WO 3 semiconductor is ball milled for about 5 to about 25 hours, so that the specific surface area of the synthesized boron-doped epsilon or gamma-phase semiconductor is 10 m 2 / g. The method of any suitable embodiment herein, such as embodiment 27, comprising increasing to greater than.
Embodiment 29. FIG. The Brunauer boron doped epsilon or gamma phase WO 3 semiconductors - Emmett - Teller to increase (BET) is, epsilon or gamma phase WO 3 semiconductor doped with the boron from about 1 hour to about 72 hours The method of any suitable embodiment herein, such as embodiment 27 or 28, comprising inter-ball milling.
Embodiment 31. FIG. 32. A method according to any of the embodiments herein, further comprising adding a metal oxide to said boron-doped epsilon or gamma phase WO 3 semiconductor.
別様に示されていない限り、本明細書および請求項において用いられる成分の量、分子量などの特性、反応条件などを表す全ての数は、全ての場合に用語「約」によって修飾されるものと理解されるべきである。したがって、それと反対に示されていない限り、明細書および添付の請求項において示される数的パラメータは、得られることを求められる所望の特性に応じて変わり得る概算である。少なくとも、請求項の範囲への均等論の適用を限定しようとするものとしてではなく、各数的パラメータは、少なくとも、報告される有効桁数の数に照らし、通常の丸め手法を適用することによって解釈されるべきである。 Unless otherwise indicated, all numbers representing the amount of ingredients, characteristics such as molecular weight, reaction conditions, etc. used in the specification and claims are in all cases modified by the term “about”. Should be understood. Accordingly, unless indicated to the contrary, the numerical parameters set forth in the specification and appended claims are approximations that may vary depending on the desired properties sought to be obtained. At least not as an attempt to limit the application of the doctrine of equivalents to the scope of the claims, but each numerical parameter is at least in light of the number of significant digits reported and by applying normal rounding techniques Should be interpreted.
本明細書の実施形態を記載する文脈において(特に、次の請求項の文脈において)用いられる用語「a」、「an」、「the」、および類似の指示物は、本明細書において別様に示されていないかまたは文脈によって明白に否定されない限り、単数形および複数形両方をカバーすると解釈されるべきである。本明細書に記載される全ての方法は、本明細書において別様に示されていないかまたは文脈によって明白に否定されない限り、いずれかの好適な順序で実施され得る。本明細書において提供されるいずれかおよび全ての例または例示的な文言(例えば、「などの」)の使用は、単に開示されている実施形態をより良く説明することを意図されており、いずれかの請求項の範囲に限定を課さない。本明細書におけるいかなる文言も、開示されている実施形態の実施に必須ないずれかの請求されていない要素を示すものと解釈されるべきではない。 The terms “a”, “an”, “the”, and similar designations used in the context of describing embodiments herein (particularly in the context of the following claims) are referred to herein differently. Unless otherwise indicated by context or explicitly denied by context, should be interpreted to cover both the singular and plural. All methods described herein can be performed in any suitable order unless otherwise indicated herein or otherwise clearly contradicted by context. Use of any and all examples or exemplary language (eg, “such as”) provided herein is intended merely to better describe the disclosed embodiments, No limitation is imposed on the scope of such claims. No language in the specification should be construed as indicating any non-claimed element essential to the practice of the disclosed embodiments.
本明細書において開示される代替的な要素または実施形態の群は限定として解釈されるべきではない。各群構成要素は、個別に、または群の他の構成要素もしくは本明細書に見いだされる他の要素とのいずれかの組み合わせで参照および請求され得る。便宜および/または特許性の理由で、ある群の1つ以上の構成要素がある群において包含または削除され得るということが予期される。いずれかのかかる包含または削除が生ずるときには、本明細書は改変された群を含有し、それゆえに、添付の請求項に用いられる全てのマーカッシュ群の記述要件を満たすと見なされる。 Alternative elements or groups of embodiments disclosed herein are not to be construed as limitations. Each group member may be referenced and claimed individually or in any combination with other members of the group or other elements found herein. It is anticipated that for convenience and / or patentability, one or more members of a group may be included or deleted in a group. When any such inclusion or deletion occurs, this specification contains the modified group and is therefore considered to meet the description requirements of all Markush groups used in the appended claims.
本開示の趣旨を実施するための本発明者に既知のベストモードを包含するある種の実施形態が本明細書に記載されている。当然のことながら、これらの記載されている実施形態の変形は先行する記載を読み取ることによって当業者には明らかとなろう。本発明者は、当業者がかかる変形を適宜使用することを予期し、本発明者は、開示されている実施形態が具体的に本明細書に記載されるものとは別様に実施されることを意図する。したがって、請求項は、適用法令によって許容される請求項に記載される主題の全ての改変および均等物を包含する。その上、上に記載されている要素のいずれかの組み合わせは、本明細書において別様に示されていないかまたは文脈によって明白に否定されない限り、その全てのあり得る変形において企図される。 Certain embodiments are described herein, including the best mode known to the inventors for carrying out the spirit of the disclosure. Of course, variations on these described embodiments will become apparent to those of ordinary skill in the art upon reading the foregoing description. The inventor anticipates that those skilled in the art will use such variations as appropriate, and that the inventor implements the disclosed embodiments differently than those specifically described herein. I intend to. Accordingly, the claims encompass all modifications and equivalents of the subject matter recited in the claims permitted by applicable law. Moreover, any combination of the elements described above is contemplated in all possible variations thereof, unless otherwise indicated herein or expressly denied by context.
結びに、本明細書において開示される実施形態は請求項の原理を例示しているということが理解されるべきである。使用され得る他の改変は請求項の範囲内である。それゆえに、限定ではなく例として、代替的な実施形態が本明細書の教示に従って利用され得る。したがって、請求項は、まさに示され記載されているままの実施形態には限定されない。 In conclusion, it is to be understood that the embodiments disclosed herein are illustrative of the principles of the claims. Other modifications that may be used are within the scope of the claims. Thus, by way of example and not limitation, alternative embodiments may be utilized in accordance with the teachings herein. Accordingly, the claims are not limited to the precise embodiments shown and described.
Claims (17)
ホウ素がドープされているイプシロン相WO3、又は、CeO2またはTiO2と混合されてなるガンマ相WO3を含む多結晶性n型半導体材料と、を含み、
前記多結晶性n型半導体材料が前記第1の電極および前記第2の電極の両方と物理的に接触しているガスセンサ素子。 A first electrode and a second electrode which are spaced apart by formic cap,
A polycrystalline n-type semiconductor material comprising epsilon phase WO 3 doped with boron or gamma phase WO 3 mixed with CeO 2 or TiO 2 ,
A gas sensor element in which the polycrystalline n-type semiconductor material is in physical contact with both the first electrode and the second electrode.
請求項1に記載のガスセンサ素子を含むガスセンサに哺乳動物呼気試料を暴露することを含み、
アセトンの存在が前記センサの抵抗率の変化によって検出される方法。 A method for identifying acetone in a subject's breath, comprising:
Exposing a mammalian breath sample to a gas sensor comprising the gas sensor element of claim 1,
A method in which the presence of acetone is detected by a change in resistivity of the sensor.
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